5.4.Усилители постоянного тока.

Усилитель постоянного тока (УПТ) предназначен для усиления медленно меняющихся напряжений, что обуславливают его специфические свойства:

1. В схемах УПТ не могут быть использованы ни трансформаторы, ни разделительные конденсаторы, а для межкаскадных связей применяется только гальваническая связь в виде активных сопротивлений.

2. Для УПТ важным является стабильность нулевого режима при отсутствии сигнала.

Одна из главных причин дрейфа нуля – зависимость падения напряжения на эмиттерном переходе транзистора в активном режиме от температуры при постоянном токе эмиттера. Другой причиной дрейфа может являться нестабильность работы источника питания.

3. В ряде случаев при усилении слабых по мощности сигналов усилитель должен иметь высокое значение входного сопротивления. Последнее достигается применением сильной ООС и усилительных элементов с большим входным сопротивлением: полевые транзисторы и специальные “электрометрические”лампы с источником тока 10^-1410^-15 А.

Влияние нестабильности нуля может быть уменьшено применением стабильных источников питания, ООС, специальных схем и режимов работы.

Типовая схема двухкаскадного УПТ приведена на рис. 5.11. Здесь для установки нуля используется мост R₁R₄ на входе и аналогичный мост R_э2-R_к2-R₅-R₆ на выходе. Для установлении рабочей точки второго каскада может использоваться дополнительный источник E_см. ООС в каждом каскаде, обусловленная сопротивлениями R_э1 и R_э2, стабилизирует коэффициент усиления и рабочие точки транзисторов.

Рис. 5.11. Схема двухкаскадного УПТ.

В многокаскадных схемах для усиления слабых сигналов применяют схему УПТ с преобразованием постоянного напряжения в переменное, с последующим усилением переменного сигнала и обратного преобразования в постоянный (рис. 5.12)

Рис. 5.12. Схема УПТ с преобразованием.

Преимущество УПТ с преобразованием:

1. Значительно меньший уровень дрейфа нуля, позволяющий усиливать слабые сигналы.

2. Малая чувствительность к колебаниям питающего напряжения.

3. Высокий коэффициент усиления.

К недостатком УПТ с преобразованием можно отнести сложность схемы.

5. Узкополосные (резонансные) усилители.

Резонансные усилители (РУ) предназначены для усиления сигналов в узкой частотной области. Главной отличительной особенностью РУ является их избирательность, т.е. усиление одного “полезного” сигнала и в тоже время максимальное ослабление остальных “мешающих” сигналов. Дополнительное свойство РУ – высокая чувствительность за счет уменьшение собственных шумов.

Схемы узкополосных усилителей приведены на рис. 5.13. Избирательность достигается применением в качестве коллекторной нагрузки параллельного колебательного контура (рис. 5.13 (а)). При работе РУ в линейном режиме коэффициент усиления будет равен:

(5.14),

где Q,  и _о – добротность, характеристическое сопротивление и резонансная частота контура,  - сдвиг частоты от резонанса, S – крутизна характеристика транзистора.

Рис.5.13. Резонансный усилитель:

(а) с параллельным колебательным контуром в цепи коллектора, (б) с системой связанных контуров в цепи коллектора.

Полоса пропускания ближе к прямоугольной (полосовой) форме будет в системе связанных контуров, используемого в полосовых усилителях (рис. 5.13 (б)).

Резонансный характер коллекторной нагрузки позволяет использовать транзистор в нелинейном режиме, обеспечивая уменьшение шумов и увеличение коэффициента полезного действия. С помощью R_эC_э эмиттерной цепи рабочая точка может сдвигаться даже в область отсечки (начала) характеристики. Формула (5.14) сохраняет свой вид, если вместо крутизны характеристики транзистора S взять среднюю крутизну для первой гармоники:

(5.15),

где  - угол отсечки, определяемый из соотношения

(5.16).

Здесь U_H – начало прямолинейного участка кусочно-линейной аппроксимации ВАХ транзистора, U_о – рабочая точка, U_вх – амплитуда входного гармонического сигнала.

При низких частотах f<1 кГц получить узкую частотную характеристику с помощью колебательного контура сложно. В этих случаях используют частотно-зависимую ОС, например, схему с двойным T-образным мостом (рис. 5.14). Коэффициент передачи ОС такого усилителя будет

(5.17).

На частоте _о =1/RC ООС отсутствует и коэффициент усиления максимален, а при

RC >>1 и RC <<1 коэффициент передачи ОС  стремиться к единице, коэффициент усиления РУ к нулю.

Рис.5.14. Резонансный усилитель с частотно-зависимой ОС.

На высоких частотах f>10 МГц применение связанных контуров также затруднено.

Иногда в качестве полосовых фильтров используют монолитный пьезокерамические резонаторы (ПЭР) с акустической связью (рис. 5.15).

Рис.5.15. Полосовой усилитель на полевом транзисторе с пьезокерамическим резонатором с акустической связью.

ПЭР с акустической связью позволяют получить большое затухание сигнала вне полосы пропускания, так как сигнал может распространяться от одного резонатора к другому акустически без электрической связи только на резонансной частоте резонаторов.