СОДЕРЖАНИЕ 
 

ВВЕДЕНИЕ

 

    При разработке усилителей постоянного тока приходится решать две основные проблемы: согласование потенциальных уровней в разных частях схемы и уменьшение нестабильности (дрейфа) выходного уровня напряжения или тока в отсутствие сигнала.

    В данной курсовой работе рассмотрим основные параметры и характеристики усилителя постоянного тока, особенности непосредственной связи в УПТ, дифференциальные усилительные каскады и дифференциальный каскад с динамическими нагрузками.

    Для усиления сигналов, медленно изменяющихся во времени, т.е. сигналов, эквивалентная частота которых приближается к нулю и предназначены усилители постоянного тока. Для передачи медленно изменяющегося сигнала по тракту усиления необходимы непосредственная (по постоянному току) связь источника входного сигнала с входной цепью усилителя и аналогичная связь между усилительными каскадами. Радикальным средством уменьшения дрейфа УПТ является применение параллельно-балансных (дифференциальных) каскадов. При создании многокаскадных УПТ широко используют транзисторы, выполняющие функцию динамических нагрузок каскада.

    В настоящее время техника усиления электрических сигналов базируется на интегральной электронике. Как известно, реактивные элементы трудны в интегральной реализации. Учитывая это, подавляющее большинство усилителей различного назначения выполняют на основе УПТ с непосредственной связью. По такому принципу, в частности, создают усилители звуковых частот, усилители высокой частоты, широкополосные и линейные импульсные усилители, узкополосные (избирательные) усилители. На базе УПТ с непосредственной связью выполняют также генераторы синусоидальных колебаний и многие импульсные схемы.

1.ОСНОВНЫЕ  ПАРАМЕТРЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ

 

    Усилителем  называют устройство, предназначенное для увеличения параметров электрического сигнала (напряжения, тока, мощности). Усилитель имеет входную цепь, к которой подключается усиливаемый сигнал, и выходную цепь, с которой выходной сигнал снимается и подаётся в нагрузку.

    Основными параметрами  усилителя являются коэффициент усиления по напряжению K_U = U_вых/U_вх, коэффициент усиления по току К_I = I_вых/I_вх и коэффициент усиления по мощности K_P =P_вых/P_вх = U_выхI_вых/U_вхI_вх = К_UK_I.[1]

     Усилители постоянного  тока (УПТ) предназначены для усиления сигналов, медленно изменяющихся во времени, т. е. сигналов, эквивалентная частота которых приближается к нулю. Поэтому УПТ должны обладать амплитудно-частотной характеристикой, в виде изображённой на рис.1.1.

    

      
 

    Связь источника сигнала с входом усилителя  и межкаскадные связи не могут  быть осуществлены в УПТ посредством  конденсаторов и трансформаторов, поскольку это обеспечило бы амплитудно-частотную характеристику, у которой K_U = 0 при f = 0.[2]

    Для передачи медленно изменяющегося сигнала  по тракту усиления необходимы непосредственная (по постоянному току) связь источника входного сигнала с входной цепью усилителя и аналогичная связь между усилительными каскадами. Наличие непосредственной связи обуславливает особенности задания точки покоя транзисторов в УПТ в сравнении с ранее рассмотренными усилителями.

    Так, в усилителях с конденсаторной связью режим каждого каскада по постоянному  току (режим покоя) определяется только элементами каскада, и параметры этого режима рассчитывают индивидуально для каждого каскада. Конденсаторы, связывающие усилительные каскады по переменному току, отделяют их одновременно по постоянному току. Благодаря этому изменение по какой-либо причине режима по постоянному току одного из усилительных каскадов не влияет на режимы по постоянному току других каскадов и практически не сказывается на величине выходного напряжения усилителя.

    В УПТ отсутствуют элементы, предназначенные  для отделения усилительных каскадов по постоянному току. В связи с этим выходное напряжение определяется здесь не только усиленным полезным сигналом, но и ложным сигналом, создаваемым за счёт изменения режима по постоянному току. Очевидно, что особенно нежелательны здесь изменения режима по постоянному току в первых каскадах, поскольку эти изменения усиливаются последующими каскадами.

    Самопроизвольное  изменение выходного напряжения УПТ при неизменном напряжении входного сигнала называется дрейфом усилителя. Причинами дрейфа являются нестабильность напряжений питания схемы, температурная и временная нестабильности параметров транзисторов и резисторов. Напряжение дрейфа выходного напряжения U_вых.др обычно определяют при закороченном входе усилителя (e_г = 0) по приращению выходного напряжения. Качество усилителя постоянного тока оценивают по напряжению дрейфа, приведенному ко входу усилителя (приведённому дрейфу): e_др = U_вых.др /K_U – коэффициент усиления усилителя. Приведённый ко входу дрейф e_др характеризует значение ложного сигнала на входе усилителя с коэффициентом K_U, которому соответствует самопроизвольное изменение выходного напряжения U_вых.др. с учётом e_др определяют диапазон возможного изменения входного напряжения e_г усилителя, при котором напряжение дрейфа U_вых.др составляет незначительную часть полезного выходного сигнала. В зависимости от требований, предъявляемых к усилителю, минимальное значение e_г принимают в десятки и сотни раз больше e_др.[1]

2. ОСОБЕННОСТИ НЕПОСРЕДСТВЕННОЙ  СВЯЗИ В УСИЛИТЕЛЯХ ПОСТОЯННОГО ТОКА

 

    Непосредственная  связь каскадов в УПТ обуславливает особенности расчёта их режима покоя (напряжения и токов при e_г= 0). Параметры режима покоя каскада рассчитывают с учётом элементов, относящихся к выходной цепи предыдущего каскада и входной цепи последующего каскада. При выборе схемы каскада особое внимание уделяется обеспечению стабильности параметров режима покоя в отношении влияния всех дестабилизирующих факторов и особенно изменения напряжения питания и температуры окружающей среды.[3]

    Особенности непосредственной связи каскадов в  УПТ рассмотрим на примере трёхкаскадного усилителя (рис.2.1).

    В схеме усилителя выводы коллектора и базы транзисторов соседних каскадов соединены непосредственно. В этих условиях резисторы R_э каждого последующего каскада (осуществляющие внутрикаскадные отрицательные обратные связи по постоянному току) предназначены также для создания необходимого напряжения U_бэп в режиме покоя. Это достигается повышением отрицательного потенциала на эмиттере каждого транзистора от протекания через резистор R_э эмиттерного тока до величины, меньшей по абсолютному значению потенциала его базы или, что то же, потенциала коллектора транзистора предыдущего каскада. Так, для транзистора T₂ второго каскада имеем:

    U_бэп2 = U_кп1 – U_эп2 = U_кп1 – I_эп2R_э2.                                       (1.1)

    Во  входную цепь усилителя (рис.2.1) последовательно с источником входного сигнала включен источник входного компенсирующего напряжения U_{комп.вх}. его вводят для того, чтобы при e_г = 0 напряжение U_бп1 соответствовало требуемому значению напряжения в режиме покоя и ток через источник был равен нулю. С этой целью компенсирующее напряжение выбирают равным U_бп1.

    Нагрузка  R_н усилителя включена в диагональ моста, образованного элементами выходной цепи оконечного каскада и резисторами R₃, R₄. Такой способ подключения нагрузки используют в тех случаях, когда необходимо обеспечить условие U_н = 0 при e_г  =0. Резисторы R₃, R₄ в схеме выполняют роль делителя для создания компенсирующего напряжения выходной цепи каскада, равного U_кп3 при e_г = 0.

    Сопротивление R_э1, рассчитываемое по режиму температурной стабилизации первого каскада, имеет величину от нескольких сотен Ом до 1-3 кОм. Сопротивления R_э последующих каскадов используют не только для температурной стабилизации, но также для обеспечения требуемых значений U_бэп в режиме покоя. При связи базы транзистора последующего каскада с коллектором транзистора предыдущего каскада (рис.2.1) напряжение на эмиттере, так же как и напряжение на коллекторе каждого последующего каскада, увеличивается (по абсолютной величине в случае транзисторов типа p-n-p).

    

    

    

      
 

      
 

    

      
 
 

Это вызывает необходимость повышения сопротивления  R_э в каждом последующем каскаде с целью получения требуемых значений U_эп. Возникающие при этом трудности связаны с тем, что увеличение R_э приводит к уменьшению коэффициентов усиления последующих каскадов и общего коэффициента усиления усилителя.

    Указанный недостаток схемы может быть исключён при некотором видоизменении её каскадов, как показано на рис.2.2,а,б. В схеме рис.2.2,а сопротивление R_э уменьшается за счёт включения резистора R_д и пропускания через резистор R_э дополнительной составляющей тока I_д. Для схемы рис.2.2,б задачу решают включением в цепь эмиттера стабилитрона.

    Способ  построения УПТ на основе непосредственной связи простейших усилительных каскадов может быть использован для получения сравнительно невысокого коэффициента усиления (порядка нескольких десятков) при относительно большом усиливаемом сигнале 0,05 – 0,1 В.

    При необходимости получения больших коэффициентов усиления (сотни и тысячи) применение этого способа построения УПТ невозможно ввиду сильного проявления дрейфа усилителя, вызываемого нестабильностью напряжения питания и особенно температурной нестабильностью параметров транзисторов, в частности I_к0(э) = (1+B)I_к0. Минимальные изменения напряжения на коллекторах транзисторов первых каскадов, возникающие под воздействием температурных изменений тока I_к0(э), усиливаются последующими каскадами, создавая недопустимые изменения выходного напряжения усилителя. Применение же температурной компенсации здесь затруднено по технологическим соображениям. Она основана на том, что при Температурная компенсация предполагает включение в схему усилителя термочувствительных элементов, например терморезисторов. Она основана на том, что при изменении температуры приращения токов и напряжений в схеме под влиянием изменения параметров вводимых элементов действуют в направлении, обратном их приращениям, вследствие температурной нестабильности параметров транзисторов. В условиях разброса параметров используемых элементов температурная компенсация требует тщательного подбора термокомпенсирующих элементов для каждого отдельного усилителя с учётом всего температурного диапазона его работы, что неприемлемо при серийном производстве и эксплуатации аппаратуры (из-за трудностей ремонта).[1]

3. ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ  УСИЛИТЕЛЬНЫЕ КАСКАДЫ

 

    Радикальным средством уменьшения дрейфа УПТ  является применение параллельно-балансных (дифференциальных) каскадов. Одна из наиболее распространённых схем дифференциальных усилительных каскадов представлена на рис.3.1. По этой схеме построены каскады, выпускаемые в виде отдельных микросхем (например, К1УТ181, К1УТ221); она используется также во входных каскадах многих УПТ интегрального исполнения.[4]

    Дифференциальный  усилительный каскад выполняют по принципу сбалансированного моста, два плеча которого образованы резисторами R_к1 и R_к2, а два других – транзисторами Т₁ и Т₂. Выходное напряжение снимается между коллекторами транзисторов (т.е. с диагонали моста) или с коллекторов.

    На  транзисторе Т₃ собрана схема источника стабильного тока I_э1 и I_э2 транзисторов Т₁, Т₂.в схему источника стабильного тока входят резисторы R₁, R₂, R₃ и источник питания E_к2. Транзистор Т₄ в диодном включении предназначен для повышения стабильности тока I_э в зависимости от изменения температуры (элемент температурной компенсации).