Wzmacniacze prądu stałego - przeznaczenie, rodzaje, obwody i zasada działania

Wzmacniacze prądu stałego, jak sama nazwa wskazuje, same w sobie nie wzmacniają prądu, czyli nie generują dodatkowej mocy. Te urządzenia elektroniczne służą do kontrolowania drgań elektrycznych w określonym zakresie częstotliwości, począwszy od 0 Hz. Patrząc jednak na kształt sygnałów na wejściu i wyjściu wzmacniacza prądu stałego, można jednoznacznie stwierdzić, że na wyjściu występuje wzmocniony sygnał wejściowy, ale źródła zasilania sygnałów wejściowych i wyjściowych są indywidualne.

Zgodnie z zasadą działania wzmacniacze prądu stałego dzielą się na wzmacniacze bezpośrednie i wzmacniacze przekształtnikowe.

Wzmacniacze konwersji prądu stałego przekształcają prąd stały na prąd zmienny, a następnie wzmacniają i prostują. Nazywa się to wzmocnieniem z modulacją i demodulacją — MDM.

Obwody wzmacniacza bezpośredniego nie zawierają elementów reaktywnych, takich jak cewki indukcyjne i kondensatory, których impedancja zależy od częstotliwości. Zamiast tego istnieje bezpośrednie połączenie galwaniczne wyjścia (kolektora lub anody) elementu wzmacniającego jednego stopnia z wejściem (podstawą lub siatką) następnego stopnia.Z tego powodu wzmacniacz z bezpośrednim wzmocnieniem jest w stanie przejść (wzmocnić) nawet DC… Takie schematy są popularne także w akustyce.

Jednakże, chociaż bezpośrednie połączenie galwaniczne przenosi bardzo dokładnie pomiędzy spadkiem napięcia stopni a wolnymi zmianami prądu, takie rozwiązanie wiąże się z niestabilną pracą wzmacniacza, trudnościami w ustaleniu trybu pracy elementu wzmacniającego.

Kiedy nieznacznie zmienia się napięcie zasilaczy, zmienia się tryb pracy elementów wzmacniacza lub ich parametry trochę unoszą się, to natychmiast obserwuje się powolne zmiany prądów w obwodzie, które poprzez galwanicznie połączone obwody wchodzą do sygnału wejściowego i odpowiednio zniekształcić kształt sygnału na wyjściu. Często te fałszywe zmiany wyjściowe są podobne pod względem wielkości do zmian wydajności spowodowanych przez normalny sygnał wejściowy.

Zniekształcenie napięcia wyjściowego może być spowodowane różnymi czynnikami. Przede wszystkim poprzez procesy wewnętrzne w elementach łańcucha. Niestabilne napięcie zasilaczy, niestabilne parametry elementów biernych i aktywnych obwodu, zwłaszcza pod wpływem spadków temperatury itp. Mogą one w ogóle nie mieć związku z napięciem wejściowym.

Zmiany napięcia wyjściowego spowodowane tymi czynnikami nazywane są dryftem zerowym wzmacniacza. Maksymalna zmiana napięcia wyjściowego przy braku sygnału wejściowego do wzmacniacza (gdy wejście jest zwarte) w pewnym okresie czasu nazywana jest dryfem bezwzględnym.

Napięcie dryfu odniesione do wejścia jest równe stosunkowi dryftu bezwzględnego do wzmocnienia danego wzmacniacza.To napięcie określa czułość wzmacniacza, ponieważ ogranicza minimalny wykrywalny sygnał wejściowy.

Aby wzmacniacz działał prawidłowo, napięcie dryftu nie może przekraczać określonego z góry minimalnego napięcia sygnału, który ma być wzmocniony, podawanego na jego wejście. Jeśli dryft wyjściowy jest tego samego rzędu co sygnał wejściowy lub go przekracza, zniekształcenie przekroczy dopuszczalny limit dla wzmacniacza, a jego punkt pracy zostanie przesunięty poza odpowiedni zakres roboczy charakterystyki wzmacniacza („dryf zerowy”). .

Aby zmniejszyć odchylenie od zera, stosuje się następujące metody. Po pierwsze, wszystkie źródła napięcia i prądu zasilające stopnie wzmacniacza są stabilizowane. Po drugie, wykorzystują głębokie ujemne sprzężenie zwrotne.Po trzecie, stosowane są schematy kompensacji dryftu temperatury poprzez dodanie elementów nieliniowych, których parametry zależą od temperatury. Po czwarte, stosowane są obwody mostków równoważących. Na koniec prąd stały jest przekształcany w prąd przemienny, po czym prąd przemienny jest wzmacniany i prostowany.

Podczas tworzenia obwodu wzmacniacza prądu stałego bardzo ważne jest dopasowanie potencjałów na wejściu wzmacniacza, w punktach połączeń jego stopni, a także na wyjściu obciążenia. Konieczne jest również zapewnienie stabilności stopni w różnych trybach, a nawet w warunkach pływających parametrów obwodu.

Wzmacniacze prądu stałego są single-ended i przeciwsobne. Jednorazowe obwody bezpośredniego wzmocnienia akceptują bezpośrednie podawanie sygnału wyjściowego z jednego elementu na wejście następnego.Napięcie kolektora pierwszego podawane jest na wejście kolejnego tranzystora wraz z sygnałem wyjściowym z pierwszego elementu (tranzystora).

Tutaj potencjały kolektora pierwszego i bazy drugiego tranzystora muszą być dopasowane, dla czego napięcie kolektora pierwszego tranzystora jest kompensowane przez rezystor. Rezystor jest również dodawany do obwodu emitera drugiego tranzystora, aby zrównoważyć napięcie emitera bazy. Potencjały na kolektorach tranzystorów kolejnych stopni również muszą być wysokie, co również osiąga się poprzez zastosowanie rezystorów dopasowujących.

W równoległym zrównoważonym stopniu przeciwsobnym rezystory obwodów kolektora i rezystancje wewnętrzne tranzystorów tworzą czteroramienny mostek, którego jedna z przekątnych (między obwodami kolektor-emiter) jest zasilana napięciem, a inny (między kolektorami) jest podłączony do obciążenia. Wzmacniany sygnał jest doprowadzany do baz obu tranzystorów.

Przy równych rezystorach kolektorów i idealnie identycznych tranzystorach różnica potencjałów między kolektorami przy braku sygnału wejściowego wynosi zero. Jeśli sygnał wejściowy jest niezerowy, wówczas kolektory będą miały potencjalne kroki równe co do wielkości, ale przeciwne co do znaku. Obciążenie między kolektorami pojawi się prądem przemiennym w postaci powtarzającego się sygnału wejściowego, ale o większej amplitudzie.

Stopnie takie są często stosowane jako stopnie pierwotne we wzmacniaczach wielostopniowych lub jako stopnie wyjściowe w celu uzyskania zbalansowanych napięć i prądów. Zaletą tych rozwiązań jest to, że wpływ temperatury na oba ramiona równomiernie zmienia ich charakterystykę, a napięcie wyjściowe nie płynie.