В измерительной технике часто приходится работать с сигналами инфра- низкочастотного спектра, период изменения которых может составлять от тысяч секунд до тысяч лет. Обычно такие сигналы принято называть сигналами постоянного тока.
Построение усилителей для работы с такими сигналами создаёт схемотехнические сложности. Так в многокаскадном усилителе не могут использоваться разделяющие и блокирующие конденсаторы (реактивные элементы). Между каскадами реализуются кондуктивные (непосредственные) связи. Режим покоя каждого усилительного каскада становится зависящим не только от номиналов элементов и параметров транзистора данного каскада, но и от текущих значений режимов покоя предыдущих и последующих каскадов усиления, т.е. в усилителе наблюдается взаимное влияние каскадов друг на друга. Особое значение приобретает стабильность режимов покоя входных каскадов, так как их изменения будут усилены последующими каскадами.
Учитывая, что параметры, например, биполярных транзисторов сильно зависят от температуры, возникает понятие дрейфа усилителей постоянного тока, который заключается в самопроизвольном изменении выходного сигнала при отсутствии изменения входного сигнала, при этом на выходе усилителя невозможно определить, чем вызвано изменение выходного напряжения — дрейфом усилителя или изменением входного сигнала.
Дрейфом усилителя постоянного тока (УПТ) называется максимальная величина самопроизвольного изменения выходного напряжения при постоянном входном сигнале под действием дестабилизирующих факторов внешней среды.
Качество усилителя постоянного тока принято оценивать по величине дрейфа, приведённого ко входу. Данный параметр отражает минимальную величину входного сигнала, которая может быть различима на выходе усилителя. Чем меньше величина дрейфа, приведённого ко входу, тем качественнее усилитель постоянного тока.
U_{вых}^{др} =\displaystyle\left.\Delta U_{вых}^{max}\right|_{U_{вх}=const.}
e_{вх}^{др} =\displaystyle\frac{U_{вых}^{др}}{K_U}
Снижение величины дрейфа, приведенного ко входу, является основной схемотехнической задачей проектирования усилителя постоянного тока. При построении усилителя постоянного тока используют три основных схемотехнических приёма:
1) термокомпенсация;
2) использование промежуточного звена переменного тока;
3) построение усилителя по параллельно-балансной схеме.
Термокомпенсация
Методика термокомпенсации заключается в использовании в схемах каскадов элементов, имеющих температурную зависимость параметров, которая позволяет парировать влияние температуры на параметры и свойства усилительных элементов.
Действие температуры на параметры биполярного транзистора можно отразить следующими зависимостями
Таким образом, при увеличении температуры
t^\circ\uparrow \rightarrow U_{бэ} \downarrow; I_{ко}\uparrow; \alpha\uparrow
И в результате
\uparrow\uparrow\uparrow I_к=\beta\cdot I_б+I_{ко}^* =\displaystyle\frac{\alpha\uparrow}{1-\alpha\uparrow}\cdot I_б\uparrow+I_{ко}\uparrow\cdot\left(1+\displaystyle\frac{\alpha\uparrow}{1-\alpha\uparrow}\right)
I_б\uparrow=\displaystyle\frac{U_{вх}-U_{бэ}\downarrow}{R}
То есть все три фактора действуют согласно и стремятся к увеличению коллекторного тока транзистора с ростом температуры.
Для компенсации влияния температуры на параметры усилительного каскада могут использоваться терморезисторы с положительным или отрицательным температурным коэффициентом сопротивления.
В реальном усилительном каскаде могут использоваться терморезисторы как с положительным, так и с отрицательным значением ТКС. Так в качестве элементов цепи формирования режима покоя, сопротивление резистора R1 должно возрастать с ростом температуры (металлический терморезистор), а сопротивление R2 — уменьшаться с ростом температуры (полупроводниковый терморезистор).
Основной технологической проблемой метода термокомпенсации является индивидуальность подбора термокомпенсирующих элементов, поскольку свойства усилительных транзисторов даже в рамках одного типа очень сильно отличаются. Термокомпенсация обычно используется в схемотехнике в качестве вспомогательного средства, а полностью термокомпенсированные УПТ выпускают в единичных экземплярах.
Использование промежуточного звена переменного тока
Усиление сигнала постоянного тока может производиться с использованием усилителя переменного тока, для которого не существует понятие температурного дрейфа. Для этого сигнал должен быть подвергнут двойному преобразованию. Первое преобразование осуществляется модулятором (М), второе – демодулятором (ДМ). В простейшем случае в качестве модулятора и демодулятора могут использоваться переключающие контакты реле или системы электронных ключей.
При периодическом переключении модулятор превращает сигнал постоянного тока в знакопеременный с амплитудой соответствующей входному сигналу. Далее он усиливается как переменный сигнал, а на выходе демодулятор, работающий синхронно с модулятором, осуществляет обратное преобразование.
Усилители, построенные по структуре МДМ, обладают высокими техническими характеристиками с точки зрения обеспечения малости дрейфа, но малой долговечностью при использовании электромеханических модуляторов и демодуляторов, а также ограниченным тактовой частотой переключения частотным диапазоном усиления.
Построение усилителей по параллельно-балансной схеме
Суть схемотехнического приёма заключается в том, что усилитель строится на базе двух усилительных каналов, входные сигналы на которые подаются, а выходные сигналы с которых снимаются дифференциально. Усилительный каскад представляет собой сбалансированный мост, два плеча которого образованы усилительными транзисторами, а два плеча – нагрузочными резисторами.
При этом использование комплементарных транзисторов (полученных в рамках единого технологического процесса и обладающих близкими эксплуатационными параметрами) обеспечивает воздействие температуры на оба усилительных канала симметрично, а при дифференциальном способе снятия выходного сигнала симметричные состояния компенсируются.
Построение усилительных каскадов по параллельно балансной схеме в настоящее время является основным методом реализации усилителей постоянного тока и естественно адаптировано к использованию средствами микроэлектронной технологии.