§ 5.2. Усилители с непосредственной связью (усилители постоянного тока)

Резистивно-емкостная связь позволяет наиболее просто осуществить независимость режимов каскадов по постоянному току, однако из-за больших емкостей разделительных конденсаторов вызывает существенные затруднения реализация -усилителей в интегральных микросхем. Развитие современной микроэлектроники выдвинуло необходимость использования непосредственной связи между каскадами усилителя, когда коллектор транзистора предыдущего каскада ОЭ гальванически связан с базой последующего.

Однако в этом случае при заземленном эмиттере транзисторы, как правило, оказываются насыщенными, так как коллектор, резисторы определяют режим по постоянному току как основного, так и последующего каскадов.

Рис. 5.3.

Для обеспечения работы транзистора в режиме класса А в эмиттерные цепи включают резисторы .

Рис. 5.4.

На рис. 5.3 приведена схема -каскадного усилителя с непосредственной связью между каскадами. Предположим, что транзисторы всех каскадов усилителя на рис. 5.3 работают в одинаковом режиме, т. е. их коллекторные токи покоя , определяющие режим класса А, равны между собой. Записав выражения для напряжений на электродах соответствующих транзисторов относительно «земли»:

и учитывая, что при

получим

При уменьшении падает коэффициент усиления по напряжению каскада. При увеличении возрастает глубина отрицательной обратной связи, что также приводит к уменьшению коэффициента усиления.

Следовательно, получить большой коэффициент усиления в схеме усилителя (рис. 5.3) путем введения дополнительных каскадов затруднительно, так как коэффициент усиления каждого последующего каскада уменьшается по сравнению с коэффициентом усиления предыдущего.

Рис. 5.5.

Не удается существенно увеличить коэффициент усиления, изменяя режим работы транзисторов каждого последующего каскада усилителя. Действительно, если увеличить ток в каждом последующем каскаде, то, во-первых, число каскадов ограничивается допустимым током, протекающим через транзистор последнего каскада, во-вторых, при равенстве резисторы различаются между собой сильнее, чем при одинаковых токах транзисторов.

Рис. 5.6.

При уменьшении тока в каждом последующем каскаде при равенстве резисторов сильнее проявляется неравенство (5.13), а число каскадов ограничивается минимальным током транзистора последнего каскада.

Для уменьшения глубины отрицательной обратной связи и увеличения, таким образом, коэффициента усиления в эмиттерные Цепи каскадов следует включить элемент, сопротивление которого по постоянному току велико, а по переменному — мало. Таким элементом является стабилитрон, при включении которого необходимо, чтобы эмиттерный ток транзистора изменялся в пределах Рабочего диапазона токов стабилитрона.

Схема двухкаскадного усилителя с использованием стабилитрона показана на рис. 5.4. Хотя коэффициенты усиления отдельных каскадов по прежнему неодинаковы , их различие меньше, чем в усилителе, изображенном на рис. 5.3.

Для получения большого коэффициента усиления в многокасдном усилителе с непосредственной связью используют чередующиеся от каскада к каскаду транзисторы разного типа электропроводности (рис. 5.5).

Такой усилитель называется усилителем с дополнительной симметрией или комплементарным.

Схемы с непосредственной связью на полевых транзисторах строят по такому же принципу, что и схемы на биполярных транзисторах. Согласование каскадов получают, исходя из требуемой амплитуды рабочего напряжения, вида характеристик полевого транзистора и напряжения питания.

При усилении переменного сигнала для отделения постоянной составляющей выходного напряжения от переменной составляющей (полезного сигнала) между заземленной нагрузкой и выходной шиной усилителя включают разделительный конденсатор, емкость которого определяется низшей частотой усиливаемого переменного сигнала.

Непосредственная связь между каскадами усилителя позволяет также усиливать сигналы, медленно изменяющиеся во времени. Следовательно, усилитель с непосредственной связью можно использовать в качестве усилителя постоянного тока. Амплитудно-частотная характеристика усилителя постоянного тока представлена на рис. 1.5.

При усилении медленно изменяющегося сигнала применение разделительного конденсатора для отделения постоянной и переменной составляющих выходного сигнала невозможно, так как емкость конденсатора в этом случае должна быть бесконечно большой. Поэтому в схеме усилителя постоянного тока (рис. 5.6) резистор включен между выходной шииой усилителя и средней точкой делителя напряжения , а входное напряжение определяется разностью потенциалов между базой транзистора входного каскада усилителя и средней точкой делителя Тогда напряжению будет соответствовать нулевое выходное напряжение.

Для подстройки нуля на выходе усилителя служит переменный резистор .

Недостатком описанного способа включения нагрузки и источника входного сигнала в схему усилителя постоянного тока является отсутствие общей точки, т. е. нагрузочный резистор и источник входного сигнала оказываются не «заземленными».

Для устранения указанного недостатка применяют усилители постоянного тока с двумя источниками питания (рис. 5.7). Элементы усилителя рассчитаны таким образом, чтобы в отсутствие входного сигнала, т. е. при , напряжение на выходе усилителя также было бы равно нулю.

Рис. 5.7.

Для этого необходимо сопротивления резисторов делителя напряжения выбрать такими, чтобы падение напряжения на них в отсутствие входного сигнала были равны

Цепь делителя не должна влиять на режим работы транзистора. Поэтому току выбирают из условия

Тогда сопротивления определим из формул

Свойство схемы усиливать сигналы сколь угодно малой частоты приводит к возникновению так называемого дрейфа напряжения на выходе усилителя. Абсолютный дрейф усилителя - это максимальное отклонение выходного напряжения от своего первоначального значения за определенный промежуток времени при замкнутом входе.

Дрейф выходного напряжения обусловлен самопроизвольным изменением во времени напряжения источников питания и смещения (временной дрейф), а также нестабильностью параметров усилительных элементов при изменении температуры окружающей среды (температурный дрейф).

Значение (дрейф, приведенный к входу усилителя) ограничивает минимальный входной сигнал и характеризует чувствительность усилителя.

В транзисторных усилителях постоянного тока основным является температурный дрейф. Используя коэффициент температурной нестабильности (см. § 4.1), температурный дрейф одного каскада можно записать как

Следовательно, для уменьшения следует снижать коэффициент s, воспользовавшись методами термостабилизации рабочей точки (см. § 4.1). Однако чувствительность усилителя, т. е. приведенный дрейф, при этом не изменится. Действительно, учитывая формулу (4.19) для коэффициента s, можно показать, что коэффициент усиления одного каскада

Тогда выражение для приведенного температурного дрейфа будет иметь вид

Из выражения (5.16) следует, что приведенный дрейф в отличие от абсолютного не зависит от коэффициента s и снижается при уменьшении сопротивлений в цепи эмиттера и базы.

Оценим влияние дрейфа отдельных каскадов на результнрую. величину дрейфа многокаскадного усилителя постоянного тока.

Пусть, например, на входе каждого каскада трехкаскадного усилителя (рис. 5.8) действует источник дрейфа , . Тогда абсолютный дрейф усилителя, каждый каскад которого инвертирует фазу входного сигнала, равен

Рис. 5.8.

Приведенный дрейф усилителя

Из выражений (5.17) и (5.18) можно сделать следующие выводы.

1. При проектировании многокаскадных усилителей постоянного тока для уменьшения дрейфа целесообразно использовать четное число каскадов, так как при этом происходит частичная компенсация составляющих дрейфа.

2. Наибольшее влияние на величину дрейфа всего усилителя оказывает дрейф первого (входного) каскада, к которому предъявляются наиболее высокие требования по его стабильности. При проектировании усилителей постоянного тока с малым уровнем дрейфа часто в качестве входного используют дифференциальный каскад, свойства которого подробно рассматриваются в § 5.3.

В настоящее время на базе усилителей с непосредственной связью выпускаются дешевые, универсальные, линейные ИМС, позволяющие проектировать различные маломощные усилители низкой частоты.

Полупроводниковая ИМС типа (серия ) включает в себя двухкаскадный усилитель с непосредственной связью, охваченный общей параллельной и местной последовательной отрицательной обратной связью по току.

Обратную связь по переменному току можно исключить, подключив внешний блокировочный конденсатор.

При наличии блокировочного конденсатора и в схеме будем иметь коэффициент усиления по напряжению 600—1200, входное сопротивление 2 кОм, верхнюю граничную частоту .

Если блокировочный конденсатор отсутствует, то схема имеет следующие параметры: коэффициент усиления по напряжению 140—190; входное сопротивление 30—60 Ом; верхняя граничная частота .

Гибридно-пленочная ИМС типа (серия ) представляет собой четырехкаскадный усилитель с непосредственной связью, охваченный параллельной обратной связью по постоянному напряжению. Выходной каскад имеет среднюю точку. Схема предназначена для работы в схеме бестрансформаторного усилителя мощности класса В. Коэффициент усиления по напряжению в такой схеме составляет 8000—15 000.