Материал: Попов Э.Г. Основы аналоговой техники. Учеб. пособие для студ. радиотехнических спец

разуется в более высокую несущую частоту. На этой частоте осуществляется основное усиление. Затем усиленный высокочастотный сигнал с помощью демодулятора преобразуется обратно в сигнал постоянного тока.

Для оценки качества УПТ наряду с обычными параметрами усилителя вводится понятие дрейфа нуля. Дело в том, что любые воздействия дестабилизирующих факторов, приводящие к.изменению положения рабочей точки, вызовут изменение постоянного напряжения на выходе и будут восприняты как появление сигнала. Зависи-

t мость дрейфа нуля от времени представлена на рис. 6.2. Эта зависимость имеет две составляющие. Одна составляющая обусловлена медленно меняющимися воздействиями,

чаще всего связанными с изменением параметров окружающей среды (особенно температуры), старением элементов схемы и изменением их параметров. Вторая составляющая накладывается на первую и представляет собой изменяющийся сигнал, обусловленный собственными шумами и помехами. Дрейф нуля оценивают величиной изменения выходного напряжения за определенный промежуток времени при отсутствии сигнала на входе. Используя коэффициент усиления усилителя, эту величину обычно приводят к его входу. В этом случае дрейф нуля показывает, какой сигнал необходимо подать на вход, чтобы на выходе получить реальное приращение сигнала. Величиной приведенного к входу усилителя дрейфа нуля ограничивается его реальная чувствительность.

Для уменьшения дрейфа нуля необходимо прежде всего устранить сами источники дестабилизирующих факторов. Устранение отдельных факторов может оказаться очень дорогим и не всегда приемлемым (например помещение усилителя в термостат). На уменьшение нестабильности напряжения питания путем использования стабилизированных источников потребуется меньше затрат. В любом случае нужен комплексный подход к этому вопросу, предусматривающий самые различные способы решения проблемы.

216

6.2. Усилители постоянного тока прямого действия

Так как УПТ усиливает переменную и постоянную составляющие сигнала, в его цепях не могут быть применены реактивные элементы, изменяющие свои параметры в области нижних и средних частот. К ним относятся разделительные и блокирующие конденсаторы, дроссели и трансформаторы. Для межкаскадной связи здесь используют непосредственную связь или связь с помо-

напряжение U2 будет равно нулю при отсутствии напряжения UИ на входе каскада. При подаче напряжения UИ с плюсом на базе VT транзистор открывается, потенциал его коллектора понижается, и в цепи нагрузки появляется усиленное напряжение U2 с полярностью, указанной на рисунке. Смена полярности входного напряжения приводит к изменению полярности напряжения U2.

Одним из самых распространенных простейших каскадов усиления постоянного тока является дифференциальный каскад (см. рис. 4.35, а, б), рассмотренный выше. Сигнал в таком каскаде может подаваться между базами транзисторов или между базой одного из них и общей шиной. Нагрузка включается между коллекторами транзисторов. Все положительные качества дифференциального каскада в полной мере реализуются при его использовании в качестве УПТ. Этот каскад занимает особое место в разработках УПТ в интегральном исполнении (операционных усилителей). Для всех операционных усилителей на биполярных и полевых транзисторах характерным является использование в качестве входного каскада соответствующего дифференциального усилителя.

217

В случае необходимости получения большого коэффициента усиления приходится строить УПТ из нескольких каскадов. Возникающие при этом трудности выравнивания выходных и входных потенциалов соединяемых каскадов могут решаться различными способами. Наиболее распространенные методы построения многокаскадных УПТ представлены на рис. 6.4.

Рис. 6.4

На схеме (рис. 6.4, а) коллектор предыдущего каскада непосредственно подключается к базе последующего. Необходимое напряжение смещения на базе следующего транзистора получают за счет выбора соответствующей величины сопротивления в цепи эмиттера следующего каскада. Пусть все три транзистора работают в одном режиме: токи коллекторов равны 1 мА, напряжения коллектор-эмиттер равны 3 В, напряжения база-эмиттер примерно равны нулю. Чтобы получить 3 В на коллекторе VT1 при токе I0K1 = 1 мА, сопротивление R4 должно быть равно 12 кОм. Напряжение коллектор-эмиттер VT1 прикладывается к последовательному соединению перехода база-эмиттер VT2 и сопротивления R6. Чтобы на переходе база-эмиттер VT2 напряжение примерно равнялось нулю, напряжение на R6 должно быть равно 3 В. Это возможно, если

218

сопротивление R6 имеет величину 3 кОм. Напряжение на коллекторе VT2 относительно общей шины теперь будет равно 6 В, для чего необходимо взять сопротивление R5, равное 9 кОм. Для компенсации этого напряжения на базе VT3 сопротивление R8 требуется увеличить до 6 кОм. При заданном режиме и напряжении источника питания сопротивление R7 должно быть уменьшено до 6 кОм. Таким образом, по мере продвижения к выходу усилителя нагрузка каждого последующего каскада уменьшается (R5, R7), а глубина местной обратной связи увеличивается (R6, R8). Согласно (4.9) и (4.12), коэффициент усиления таких каскадов быстро падает и стремится к отношению

Уже при равенстве сопротивлений в эмиттере и коллекторе коэффициент усиления не превышает единицы. Избавиться от этих обратных связей с помощью блокировочных конденсаторов в УПТ невозможно. (Как известно, любые реактивные элементы могут использоваться в усилителях постоянного тока только при появляющейся необходимости коррекции частотных характеристик в области высоких частот.) Заметного повышения температурной стабильности эти обратные связи также не дают, так как нестабильность схемы на рис. 6.4, а в основном определяется каскадом на транзисторе VT1, где ввести эту ОС не представляется возможным. Сопротивления R1, R2 и R9, R10 дополняют входную и выходную цепи усилителя до мостового вида для устранения постоянной составляющей, не связанной с сигналом.

В схеме (рис. 6.4, б) используется потенциометрическая связь между каскадами. В этой схеме с помощью резистивных делителей R3 - R4, R5 - R7 дополнительного источника питания Е02 появляется возможность довести до необходимой величины потенциал на базе VT2 и на выходе усилителя. Естественно, плечи делителей R3 и R5 заметно снижают усиление каждого каскада. Коэффициент усиления каскада с потенциометрической связью примерно в 1,5 - 2 раза меньше, чем у аналогичного резисторного каскада. Однако это снижение не прогрессирует от каскада к каскаду и не ограничивает число используемых каскадов.

В схеме на рис. 6.4, в в качестве элемента связи применен стабилитрон. Постоянное напряжение на коллекторе VT1 U0K1, согласно второму закону

219

Кирхгофа, равно падению напряжения на стабилитроне, переходе база-эмиттер транзистора VT2 и сопротивлении R6. Падение напряжения на R6 определяется постоянным током коллектора VT2. Следовательно, для того чтобы падение на переходе база-эмиттер VT2 находилось вблизи нуля, необходимо выбирать стабилитрон VD1 с напряжением стабилизации примерно равным разности между напряжением на коллекторе VT1 U0K1 и напряжением на резисторе R5. Сопротивление стабилитрона в рабочей точке по переменному току очень мало, поэтому потерь сигнала на нем практически не происходит. Однако ток стабилитрона в момент лавинного пробоя обладает заметной шумовой составляющей, что сильно повышает дрейф нуля усилителя.

Наименьший уровень дрейфа в УПТ прямого действия достигается в усилителях с непосредственной связью, выполненных на дифференциальных каскадах с питанием от стабилизированных источников. Дрейф нуля таких усилителей может опускаться до десятых долей милливольт в час.

6.3. Усилители постоянного тока с преобразованием

Для получения более высокой чувствительности усилители постоянного тока строят по принципу преобразования частоты. УПТ с преобразованием позволяют снизить дрейф нуля по сравнению с усилителями прямого действия еще на 2 - 3 порядка. С помощью таких усилителей усиливают сигналы с напряжением в единицы и даже десятые доли микровольт. Блок-схема такого усилителя приведена на рис. 6.5, а. Усиливаемый сигнал UВХ с постоянной составляющей (рис. 6.5, б) поступает на вход балансного модулятора БМ. В балансном модуляторе входной сигнал перемножается с сигналом гетеродина Г. С выхода БМ модулированный сигнал U1 подается на вход избирательного усилителя переменного тока и усиливается до необходимой величины. После усиления высокочастотный модулированный сигнал U2 детектируется в балансном демодуляторе. Благодаря использованию балансного модулятора и балансного детектора, управляемых одним и тем же напряжением гетеродина, удается сохранить на выходе фазу входного сигнала. Усиленный и продетектированный сигнал U3 поступает на фильтр низких частот, где устраняется высокочастотная составляющая, а затем в нагрузку.

220