Усилители постоянного тока — назначение, виды, схемы и принцип действия

Усилители постоянного тока, как может показаться из названия, сами по себе ток не усиливают, то есть они не генерируют никакой дополнительной мощности. Данные электронные устройства служат для управления электрическими колебаниями в определенном диапазоне частот начиная с 0 Гц. Но посмотрев на форму сигналов на входе и выходе усилителя постоянного тока, можно однозначно сказать — на выходе имеется усиленный входной сигнал, однако источники энергии для входного и выходного сигналов — индивидуальные.

По принципу действия усилители постоянного тока подразделяются на усилители прямого усиления и усилители с преобразованием.

Усилители постоянного тока с преобразованием преобразуют ток постоянный — в переменный, затем он усиливается и выпрямляется. Это называется усилением сигнала с модуляцией и демодуляцией — МДМ.

Схемы усилителей прямого усиления не содержат реактивных элементов, таких как катушки индуктивности и конденсаторы, сопротивление которых зависит от частоты. Вместо этого существует непосредственная гальваническая связь выхода (коллектора или анода) усилительного элемента одного каскада с входом (базой или сеткой) очередного каскада. По этой причине усилитель прямого усиления способен пропускать (усиливать) даже постоянный ток. Такие схемы популярны и в акустике.

Однако непосредственная гальваническая связь хотя и передает очень точно между каскадами перепады напряжения и медленные изменения тока, такое решение сопряжено с нестабильностью работы усилителя, с затруднением установления режима работы усилительного элемента.

Когда напряжение источников питания немного изменяется, или изменяется режим работы усилительных элементов, либо немного плывут их параметры, — тут же наблюдаются медленные изменения токов в схеме, которые по гальванически связанным цепям попадают во входной сигнал и соответствующим образом искажают форму сигнала на выходе. Зачастую эти паразитные изменения на выходе схожи по размаху с рабочими изменениями, вызываемыми нормальным входным сигналом.

Искажения выходного напряжения могут быть вызваны различными факторами. Прежде всего — внутренними процессами в элементах схемы. Нестабильное напряжение источников питания, нестабильные параметры пассивных и активных элементов схемы, особенно под действием перепадов температуры и т. д. Они могут быть вовсе не связаны с входным напряжением.

Изменения выходного напряжения вызванные данными факторами именуют дрейфом нуля усилителя. Максимальное изменение выходного напряжения в отсутствие входного сигнала усилителя (когда вход замкнут) за определенный временной промежуток, называется абсолютным дрейфом.

Напряжение дрейфа, приведенное ко входу равно отношению абсолютного дрейфа к коэффициенту усиления данного усилителя. Это напряжение определяет чувствительность усилителя, так как вносит ограничение в минимально различимый входной сигнал.

Чтобы усилитель работал нормально, напряжение дрейфа не должно быть больше заранее определенного минимального напряжения усиливаемого сигнала, который подается на его вход. В случае если дрейф выхода окажется того же порядка или будет превышать входной сигнал, искажения превысят допустимую норму для усилителя, и его рабочая точка окажется смещенной за пределы адекватной рабочей области характеристик усилителя («дрейф нуля»).

Для снижения дрейфа нуля прибегают к следующим приемам. Во-первых, все источники напряжения и тока, питающие каскады усилителя, делают стабилизированными. Во-вторых, используют глубокую отрицательную обратную связь. В-третьих, применяют схемы компенсации температурного дрейфа путем добавления нелинейных элементов, чьи параметры зависят от температуры. В-четвертых, используют балансирующие мостовые схемы. И наконец, постоянный ток преобразуют в переменный и затем усиливают переменный ток и выпрямляют.

При создании схемы усилителя постоянного тока очень важно согласовать потенциалы на входе усилителя, в точках сопряжения его каскадов, а также на нагрузочном выходе. Также необходимо обеспечить стабильность работы каскадов при различных режимах и даже в условиях плавающих параметров схемы.

Усилители постоянного тока бывают однотактными и двухтактными. Однотактные схемы прямого усиления предполагают непосредственную подачу выходного сигнала с одного элемента — на вход следующего. На вход следующего транзистора вместе с выходным сигналом от первого элемента (транзистора) подается коллекторное напряжение первого.

Тут должны быть согласованы потенциалы коллектора первого и базы второго транзистора, для чего коллекторное напряжение первого транзистора компенсируют при помощи резистора. Резистор добавляют также в цепь эмиттера второго транзистора, чтобы сместить его напряжение база-эмиттер. Потенциалы на коллекторах транзисторов следующих каскадов также должны быть высокими, что тоже достигается применением согласующих резисторов.

В двухтактном параллельном балансном каскаде резисторы коллекторных цепей и внутренние сопротивления транзисторов образуют собой четырехплечевой мост, на одну из диагоналей которого (между цепями коллектор-эмиттер) подается напряжение питания, а к другой (между коллекторами) — присоединяется нагрузка. Сигнал который требуется усилить прикладывается к базам двух транзисторов.

При равенстве коллекторных резисторов и полностью одинаковых транзисторах, разность потенциалов между коллекторами, в отсутствие входного сигнала, равна нулю. Если входной сигнал не равен нулю, то на коллекторах будут приращения потенциалов равные по модулю, но противоположные по знаку. На нагрузке между коллекторами появится переменный ток по форме повторяющий входной сигнал, но большей амплитуды.

Такие каскады часто применяются в качестве первичных каскадов многокаскадных усилителей либо в качестве выходных каскадов для получения симметричного напряжения и тока. Достоинство данных решений в том, что влияние температуры на оба плеча одинаково изменяет их характеристики и напряжение на выходе не плывет.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Источник

Основы электроники и микроэлектроники

Раздел 4. Основы электронной схемотехники

Тема 4.3. Режимы работы усилительных элементов по постоянному току

4.3.1 Питание усилительных элементов

Питание усилительных элементов в усилительных каскадах осуществляется от выпрямителей и от химических источников тока.

Цепи питания должны обеспечивать: заданный режим работы усилительного элемента по постоянному току; стабилизацию ре­жима работы усилительного элемента, т. е. уменьшать воздейст­вие дестабилизирующих факторов [4].

В многокаскадных маломощных усилительных устройствах обычно используется один выпрямитель, к которому выходные це­пи подключаются параллельно. Для уменьшения влияния одного каскада на другой через общие цепи питания применяют развязы­вающие фильтры. В мощных усилителях обычно используют нес­колько отдельных источников. Переносные усилители питаются от гальванических элементов, аккумуляторов.

На электроды усилительного элемента надо подавать два на­пряжения: постоянное напряжение на выходной электрод и посто­янное напряжение (смещения) на управляющий электрод.

Постоянное напряжение на коллектор транзистора можно подавать двумя способами: последовательно и па­раллельно с нагрузкой [4].

Последовательная схема питания выходной цепи усилительно­го элемента приведена на рисунке 4.11, а. В этой схеме в качестве усилительного элемента применен транзистор p-n-p типа. В качестве усилительных элементов могут также использоваться транзисторы n-p-n типа или полевые транзисторы. В этой схеме постоянная сос­тавляющая тока выходной цепи I_кп (I_ко) протекает от положительного полюса источника питания (Е_к) через транзистор (эмиттер—ба­за—коллектор), резистор нагрузки R_н к отрицательному полюсу источника. Протекая через резистор R_н, ток I_кп создаёт на нем падение напряжения U_RH=I_К0·R_Н.

Всё отрицательное напряжение источника питания распределяется между транзистором и нагрузкой:

По абсолютной величине оно равно:

Напряжение на коллекторе транзистора составляет разность между напряжением источника питания Е_к и падением напряже­ния на нагрузке, и по абсолютной величине определяется выражением:

Падение напряжения на нагрузке от постоянной составляющей коллекторного тока I_кп является бесполезной потерей напряжения источника питания.

Рисунок 4.11 — Схема питания выходной цепи усилительного элемента

Переменная составляющая выходного тока i_к в последова­тельной схеме протекает по цепи: эмиттер—коллектор транзисто­ра через нагрузку, источник питания к эмиттеру.

Параллельная схема питания выходной цепи усилительного элемента приведена на рисунке 4.11,б. В этой схеме цепи постоянной и переменной составляющих выходного тока разделены.

Постоян­ная составляющая I_кп протекает по цепи: от +Eк через транзистор (эмиттер—база—коллектор), дроссель L_др к —Е_к . Перемен­ная составляющая коллекторного тока i_к протекает по цепи: эмиттер—база—коллектор через разделительный конденсатор С_р, нагрузку R_н , эмиттер.

Конденсатор С_р не допускает протекания постоянной состав­ляющей коллекторного тока I_кп через нагрузку, но пропускает пе­ременную составляющую i_к, оказывая ей незначительное сопро­тивление.

Дроссель L_др не допускает протекания переменной составляю­щей i_к через источник питания, а постоянной составляющей ока­зывает незначительное сопротивление.

В результате такого разделения цепей токов I_кп и i_к не про­исходит потерь постоянного напряжения на резисторе нагрузки, а переменная составляющая не протекает в цепи питания. Это явля­ется преимуществом параллельной схемы по сравнению с последо­вательной. Но наличие дополнительных деталей — разделитель­ного конденсатора С_р и блокировочного дросселя L_др — усложня­ет схему, что является ее недостатком.

На звуковых частотах дроссель имеет габариты, превышающие размеры резисторов. Поэтому в УЗЧ (УНЧ) вместо дросселя устанавливается резистор, а источник шунтируется (блокируется) большой ёмкостью для исключения потерь полезной переменной составляющей тока на внутреннем сопротивлении источника питания.

При выбранном значении постоянного напряжения в выходной цепи усилительного элемента требуемое значение выходного тока в режиме покоя получают путём по­дачи на управляющий электрод определенного значения постоян­ного напряжения, называемого напряжением смещения (так как оно смещает рабочую точку покоя в заданный учас­ток характеристики усилительного элемента).

Значение и полярность напряжения смещения зависят от типа усилительного элемента. Например, у биполярных транзисторов типа р—п—р напряжение смещения на базе должно быть отрица­тельным относительно эмиттера, у транзисторов типа р—п—р — положительным. Его значение составляет обычно порядка 0,1 . 0,5 В для германиевых и 0,5 . 1,0 В для кремниевых транзис­торов [4].

Для примера на рисунке 4.12 показано[4], что для смещения рабочей точки в режим покоя в точку А на характеристике управления усили­тельного элемента транзистора n-p-n типа, следует во входную цепь включить напряжение смещения Е_см=0,15 В.Характеристика управления для транзистора p-n-p типа будет симметричной относительно оси ординат.

В общем случае для питания цепей усилительных элементов можно использовать два отдельных источника. Однако на практи­ке напряжение смещения оказывается во много раз меньше посто­янного напряжения выходной цепи. Поэтому напряжение смеще­ния удобно получить от источника постоянного выходного напря­жения с помощью делителя.

Цепи смещения должны удовлетворять следующим требовани­ям: обеспечивать выбранное положение рабочей точки; удерживать исходное положение рабочей точки в допустимых пределах при воздействии дестабилизирующих факторов.

По этим признакам цепи смещения делят на два вида:

нестабилизированные, которые только определяют исходное положение рабочей точки, т.е. устанавливают ее, но не стабили­зируют в процессе работы;

стабилизированные, устанавливающие исходное положение ра­бочей точки и удерживающие его в допустимых пределах.

Нестабилизированное напряжение смещения в схемах на бипо­лярных транзисторах подается от источника коллекторного пита­ния. Различают два способа такого смещения: фиксированным то­ком базы; фиксированным напряжением базы.

В схеме смещения фиксированным током базы (рисунок 4.13, а) на­пряжение смещения между базой и эмиттером создается током ба­зы, протекающим от источника коллекторного питания через со­противление перехода база—эмиттер и резистор R_б.

Сопротивление резистора R_б постоянному току во много раз больше сопротивления перехода база—эмиттер. Поэтому значение тока I_б0 (I_бп), определяемое напряжением коллектора Е_к и сопротив­лением R_б ,остается практически неизменным и не зависит от температуры перехода, старения или замены транзистора.

Напряжение смещения фиксированным напряжением базы по­лучают от источника питания коллектора Е_к с помощью делителя R1, R2, как показано на рисунке 4.13, б. В этой схеме напряжением сме­щения является напряжение, создаваемое на резисторе R2 током делителя I_д, протекающим по цепи: от +Е_К через R2, R1 к — Е_к.

Недостатком такого способа смещения является дополнитель­ный расход мощности источника питания в делителе.

В усилительных каскадах с полевыми транзисторами питание выходных цепей осуществляется так же, как и в каскадах на бипо­лярных транзисторах.

Напряжение смещения на входной электрод — затвор — мож­но не подавать в тех случаях, когда ток стока при отсутствии сме­щения имеет требуемое значение. Но в большинстве случаев ис­тинное значение тока выходной цепи I_сп при отсутствии смещения отличается от требуемого, т. е. точка покоя находится не в задан­ной точке характеристики транзистора. Кроме того, ток выходной цепи I_сп сильно изменяется при замене транзистора и изменений температуры. Поэтому в каскадах на полевых транзисторах приме­няют смещение со стабилизацией точки покоя.

Рисунок 4.12 – Смещение рабочей точки в исходном состоянии в точке А

Источник