4.1.2. Усилители постоянного тока, с непосредственной связью

Для того чтобы усилитель мог усиливать очень медленные электрические колебания, в усилителях постоянного тока (УПТ) прямого усиления между усилительными элементами и их нагрузкой используется гальваническая связь, т.е. связь, осуществляемая посредством элементов, обладающих проводимостью для очень медленных изменений тока и имеющих сопротивление, в рабочей полосе частот усилителя не зависящее от частоты, например, проводников, резисторов и т. д. Конденсаторы, трансформаторы и дроссели в цепях межкаскадной связи таких усилителей применять нельзя. Так как УПТ прямого усиления не содержат разделительных и блокировочных конденсаторов большой емкости, дросселей и трансформаторов, то их габаритные размеры могут быть сделаны очень малыми и они оказываются очень удобными для миниатюризации. Именно поэтому гибридные и монолитные (твердотельные) интегральные схемы обычно выполняются как усилители постоянного тока.

Малогабаритные усилители постоянного тока, выполненные в виде гибридной или интегральной схемы, очень часто используют как составную часть усилителей переменного тока (звуковых, широковещательных, многоканальной связи, телевизионных и т. д.). Простейшим вариантом схемы гальванической межкаскадной связи является схема непосредственной связи, в которой напряжение сигнала, усиленное предыдущим усилительным элементом, непосредственно поступает с его выхода на вход следующего усилительного элемента или нагрузку. Однако практически осуществить такой способ связи далеко не просто, так как в этом случае на вход усилительного элемента или в нагрузку, с выхода предыдущего усилительного элемента, поступает кроме сигнала также и напряжение питания выходной цепи, которое необходимо компенсировать. Рассмотрим схему транзисторного УПТ с непосредственной связью, изображенную на рис. 4.1.2 , где компенсация постоянной составляющей выходного напряжения предыдущего транзистора как будто не вызывает особых затруднений.

Рис. 4.1.2. Транзисторный усилитель постоянного тока с непосредственной связью

Здесь, для создания между базой и эмиттером второго и третьего транзисторов напряжения смещения

требуемого для получения нужного тока коллектора, падение напряжения на Rэ следующего транзистора берут больше падения напряжения на Rэ предыдущего на разность напряжений коллектор - эмиттер предыдущего и база – эмиттер следующего:

(4.1.1)

Резисторы Rэ1, Rэ2, Rэ3 в схеме рис. 4.1.2 осуществляют стабилизацию точек покоя транзисторов; однако эти резисторы создают в каждом каскаде местную отрицательную обратную связь по току, глубина которой, в каждом последующем каскаде, возрастает; эта обратная связь очень сильно снижает усиление даже у первого каскада, а усиление третьего может здесь оказаться даже меньше единицы. Поэтому проектирование усилителя такого типа с числом каскадов более трех оказывается нецелесообразным. Как указано выше, в отсутствие сигнала на входе усилителя постоянного тока на его выходе должна отсутствовать не только переменная, но и постоянная составляющая напряжения; в схеме рис. 4.1.2 это достигается введением делителя R'1R'2, который компенсирует постоянную составляющую напряжения, поступающую на нагрузку усилителя с коллектора третьего транзистора. Делитель же напряжения R1R2 компенсирует падение напряжения, поступающее на источник сигнала с резистора Rд2, и сохраняет смещение на входе транзистора Т1 неизменным при включении или выключении источника сигнала.

Однако при изменении температуры или напряжения питания, старении компонентов ток покоя транзистора Т3 изменится и на выходе такого усилителя появится постоянное напряжение. Для его уничтожения придется регулировать делитель R'1R'2, поддерживая отсутствие напряжения на выходе в отсутствие сигнала. Отсутствие общего провода между входной и выходной цепями в схеме УПТ, изображенной на рис. 4.1.2 , также является ее недостатком. Если заземлить в этой схеме один из зажимов входной цепи, подключенная к выходным зажимам нагрузка окажется под потенциалом относительно земли; при заземлении одного из выходных зажимов под потенциалом относительно земли окажется источник сигнала, что иногда нежелательно или недопустимо. Режим работы транзистора в каскаде такого усилителя выбирается, как в обычном резисторном каскаде. Коэффициент усиления, частотную характеристику в области верхних частот и переходную в области малых времен для каждого каскада рассчитывают с учетом обратной связи, вносимой резистором Rэ. Однако если схему с непосредственной связью типа рис. 4.1.2 выполнить симметричной (двухтактной), то при включении стабилизирующих режим резисторов Rэ в общие провода эмиттеров; истоков или катодов каждого из каскадов местные отрицательные обратные связи по току устраняются и каскады такого усилителя дают полное усиление. Симметричные схемы усилителей постоянного тока с непосредственной связью широко используются в микроминиатюрных транзисторных усилителях постоянного тока. Для того чтобы не терять усиление в каскадах УПТ, как это имеет место в схеме рис. 4.1.2 , для компенсации постоянной составляющей выходного напряжения предыдущего транзистора и создания между базой и эмиттером следующего транзистора требуемого напряжения смещения в УПТ прямого усиления широко используют так называемые схемы сдвига уровня. Существуют различные схемы сдвига уровня; одной из простейших является схема сдвига уровня посредством делителя из двух резисторов, питаемых от дополнительного источника постоянного тока Едоп. Такая схема сдвига уровня применена в схеме усилителя постоянного тока с потенциометрической межкаскадной связью, изображенной на рис. Эта схема лишена многих недостатков, которые имеет схема с непосредственной связью, приведенная на рис.

Рис. 4.1.3. Транзисторный усилитель постоянного тока с потенциометрической связью и дополнительным источником компенсирующего напряжения

Здесь входная и выходная цепи имеют общий провод, а питание осуществляется от двух источников постоянного тока источника питания выходных цепей Е и дополнительного источника компенсирующего напряжения Едоп. Компенсация излишнего отрицательного потенциала, поступающего с коллекторов предыдущих транзисторов на базу последующих, а также компенсация постоянной составляющей напряжения во входной и выходной цепях здесь осуществляется от дополнительного источника Едоп через резисторы Rc, R'c, R"c, R’’’с.

Резисторы и конденсаторы в цепи эмиттера, изображенные на рис 4.1.3 пунктиром, используются для стабилизации режима и высокочастотной коррекции. Вместо двух источников постоянного напряжения в схеме можно использовать один источник со средней точкой, соединенной с общим проводом, или один источник с искусственной средней точкой, образованной резисторами делителя, подключенного параллельно источнику питания. К недостаткам потенциометрической схемы связи можно отнести большое число резисторов в каскаде и в 1,5—2 раза меньший коэффициент усиления по сравнению со схемой непосредственной связи; это объясняется шунтированием сопротивлений R потенциометрами, а также тем, что часть напряжения сигнала теряется на резисторах Rн. Резисторы R в коллекторной цепи и режим работы транзисторов в каскаде с потенциометрической связью выбирают, как в обычном резисторном каскаде предварительного усиления, а ток Iп через резистор Rп берут одного порядка с током покоя коллектора I0к транзистора рассчитываемого каскада. Сопротивления резисторов Rп и Rс находят по известным напряжениям и токам покоя выходной и входной цепей и напряжениям Е и Едоп; расчетные формулы для R, Rп и Rc имеют вид:

( 4.1.2)

где U0 — напряжение между коллектором и эмиттером транзистора рассчитываемого каскада в режиме покоя; U0Б.СЛ И I0Б.СЛ — напряжение смещения и ток покоя цепи базы транзистора следующего каскада. Коэффициент усиления тока каскада с потенциометрической связью

(4.1.3)

где h21э — статический коэффициент передачи тока транзистора рассчитываемого каскада, а Rвх.тр.сл —входное сопротивление транзистора следующего каскада при включении с общим эмиттером. Для стабилизации режимов работы транзисторов усилитель с потенциометрической связью обычно охватывают петлей достаточно глубокой отрицательной обратной связи. Частотная характеристика на верхних частотах и переходная в области малых времен у каскадов с потенциометрической связью не отличаются от характеристик обычного резисторного каскада; поэтому частотные и переходные искажения здесь рассчитывают по формулам резисторного каскада. При этом для транзисторного каскада в выражении для Rэкв.в вместо Rд.сл подставляют Rc.