DC-vahvistimet - tarkoitus, tyypit, piirit ja toimintaperiaate

DC-vahvistimet, kuten nimestä voi päätellä, eivät vahvista virtaa sinänsä, eli ne eivät tuota lisätehoa. Näitä elektronisia laitteita käytetään sähkövärähtelyjen ohjaamiseen tietyllä taajuusalueella 0 Hz:stä alkaen. Mutta kun tarkastellaan DC-vahvistimen tulon ja lähdön signaalien muotoa, voidaan yksiselitteisesti sanoa, että lähdössä on vahvistettu tulosignaali, mutta tulo- ja lähtösignaalien teholähteet ovat yksilöllisiä.

Toimintaperiaatteen mukaan tasavirtavahvistimet jaetaan suoriin vahvistimiin ja muuntajavahvistimiin.

DC-muunnosvahvistimet muuntavat tasavirran AC:ksi, sitten vahvistavat ja tasasuuntaavat. Tätä kutsutaan vahvistukseksi modulaatiolla ja demoduloinnilla — MDM.

Suorat vahvistinpiirit eivät sisällä reaktiivisia elementtejä, kuten induktoreja ja kondensaattoreita, joiden impedanssi on taajuudesta riippuvainen. Sen sijaan yhden portaan vahvistinelementin lähdöllä (kollektori tai anodi) on suora galvaaninen yhteys seuraavan portaan tuloon (kanta tai verkko).Tästä syystä suoravahvistusvahvistin pystyy läpäisemään (vahvistamaan) jopa DC.… Tällaiset mallit ovat suosittuja myös akustiikassa.

Vaikka suora galvaaninen kytkentä kuitenkin siirtyy erittäin tarkasti portaiden jännitehäviön ja hitaiden virranmuutosten välillä, tällainen ratkaisu liittyy vahvistimen epävakaaseen toimintaan, jossa on vaikeuksia vahvistinelementin toimintatilan määrittämisessä.

Kun teholähteiden jännite muuttuu hieman tai vahvistinelementtien toimintatapa muuttuu tai niiden parametrit kelluvat hieman, havaitaan välittömästi hitaita muutoksia piirin virroissa, jotka galvaanisesti kytkettyjen piirien kautta tulevat sisääntulosignaaliin ja vastaavasti vääristää signaalin muotoa lähdössä. Usein nämä harhaanjohtavat lähtömuutokset ovat suuruudeltaan samanlaisia ​​kuin normaalin tulosignaalin aiheuttamat suorituskyvyn muutokset.

Lähtöjännitteen vääristymät voivat johtua useista tekijöistä. Ensinnäkin ketjuelementtien sisäisten prosessien kautta. Virtalähteiden epävakaa jännite, piirin passiivisten ja aktiivisten elementtien epävakaat parametrit, erityisesti lämpötilan laskujen vaikutuksesta jne. Ne eivät välttämättä liity tulojännitteeseen ollenkaan.

Näiden tekijöiden aiheuttamia muutoksia lähtöjännitteessä kutsutaan vahvistimen nollaryömiksi. Maksimimuutosta lähtöjännitteessä ilman tulosignaalia vahvistimeen (kun tulo on suljettu) ajan kuluessa kutsutaan absoluuttiseksi ryömimäksi.

Tuloon viitattu ryömintäjännite on yhtä suuri kuin absoluuttisen poikkeaman suhde tietyn vahvistimen vahvistukseen.Tämä jännite määrittää vahvistimen herkkyyden, koska se rajoittaa pienimmän havaittavan tulosignaalin.

Jotta vahvistin toimisi oikein, ryömintäjännite ei saa ylittää vahvistettavan signaalin ennalta määrättyä minimijännitettä, joka syötetään sen tuloon. Jos lähtöryömintä on samaa suuruusluokkaa tai suurempi kuin tulosignaali, särö ylittää vahvistimen sallitun rajan ja sen toimintapiste siirtyy vahvistimen ominaisuuksien riittävän toiminta-alueen ulkopuolelle («zero drift») .

Nollapoikkeaman vähentämiseksi käytetään seuraavia menetelmiä. Ensinnäkin kaikki vahvistinasteita syöttävät jännite- ja virtalähteet stabiloidaan. Toiseksi ne käyttävät syvää negatiivista palautetta Kolmanneksi käytetään lämpötilaryömintäkompensointimenetelmiä lisäämällä epälineaarisia elementtejä, joiden parametrit riippuvat lämpötilasta. Neljänneksi käytetään tasapainotussiltapiirejä. Lopuksi tasavirta muunnetaan vaihtovirraksi, jonka jälkeen vaihtovirtaa vahvistetaan ja tasasuunnetaan.

Tasavirtavahvistinpiiriä luotaessa on erittäin tärkeää sovittaa potentiaalit vahvistimen sisääntulossa, sen portaiden liitäntäpisteissä sekä kuorman lähdössä. On myös tarpeen varmistaa portaiden vakaus eri moodeissa ja jopa kelluvien piirien parametrien olosuhteissa.

DC-vahvistimet ovat yksipäisiä ja push-pull-vahvistimet. Kertaluonteiset suoravahvistuspiirit hyväksyvät lähtösignaalin suoran syöttämisen yhdestä elementistä seuraavan tuloon.Ensimmäisen kollektorijännite syötetään seuraavan transistorin tuloon yhdessä ensimmäisen elementin (transistorin) lähtösignaalin kanssa.

Tässä on sovitettava yhteen ensimmäisen transistorin ja toisen transistorin kannan kollektorin potentiaalit, jolloin ensimmäisen transistorin kollektorijännite kompensoidaan vastuksella. Toisen transistorin emitteripiiriin lisätään myös vastus kantaemitterin jännitteen kompensoimiseksi. Myös myöhempien vaiheiden transistorien kollektoreiden potentiaalien tulee olla suuria, mikä saavutetaan myös käyttämällä sovitusvastuksia.

Rinnakkaisbalansoidussa työntövaiheessa kollektoripiirien vastukset ja transistorien sisäiset resistanssit muodostavat nelihaaraisen sillan, jonka yhteen lävistäjään (kollektori-emitteripiirien väliin) syötetään syöttöjännite ja toinen (keräinten välissä) on kytketty kuormaan . Vahvistettava signaali johdetaan molempien transistorien kanoihin.

Samansuuruisilla kollektorivastuksilla ja täysin identtisillä transistoreilla kollektoreiden välinen potentiaaliero tulosignaalin puuttuessa on nolla. Jos tulosignaali on nollasta poikkeava, keräilijöiden potentiaaliaskelmat ovat suuruudeltaan yhtä suuret, mutta etumerkillä vastakkaiset. Keräinten välinen kuorma näkyy vaihtovirtana toistuvan tulosignaalin muodossa, mutta suuremmalla amplitudilla.

Tällaisia ​​asteita käytetään usein monivaiheisten vahvistimien ensiöasteita tai lähtöasteita tasapainotetun jännitteen ja virran saamiseksi. Näiden ratkaisujen etuna on, että lämpötilan vaikutus molempiin varsiin muuttaa niiden ominaisuuksia tasaisesti ja lähtöjännite ei kellu.