Основы аналоговой схемотехники

Точки пересечения нагрузочной прямой с коллекторными характеристиками дают графическое решение уравнения (2.36) для данных сопротивления нагрузки , напряжения питания и различных значений входного тока. Выбрав на входной характеристике значение тока покоя базы и определив точку пересечения соответствующей выходной характеристики, снятой при с нагрузочной прямой, определяем режим по постоянному току выходной цепи - точка О (). Для получения наибольшей амплитуды выходного напряжения необходимо, чтобы точка покоя размещалась посередине его линии нагрузки. При этом режим ограничения будет устанавливаться одновременно для обеих полуволн выходного напряжения, каскад будет работать с минимальными нелинейными искажениями (режим класса А).

У биполярных транзисторов, кроме нагрузочной характеристики, используется входная, получаемая методом перенесения точек пересечения выходной нагрузочной характеристики на семейство входных характеристик.

Однако для многих транзисторов характерно слабое влияние коллекторного напряжения на входной ток. Это проявляется в очень незначительных смещениях входных статических характеристик при изменениях коллекторного напряжения, в связи с чем семейство входных статических характеристик представлено лишь двумя из них, снятыми при напряжении () и

при номинальном напряжении на коллекторе. Поэтому нагрузочная входная характеристика в этом случае сливается со статической, снятой при () (рис.2.14, а).

Для определения переменных составляющих тока и напряжения в коллекторной цепи используют нагрузочную характеристику каскада по переменному току.

Для переменного тока источник питания, сопротивление разделительного конденсатора практически не оказывают никакого сопротивления. Поэтому для сопротивления резисторов и соединены параллельно и образуют сопротивление нагрузки транзистора по переменному току

(2.37)

Анализ выражения (2.37) показывает, что сопротивление нагрузки усилительного каскада по постоянному току больше, чем по переменному току .

При наличии входного сигнала напряжение и ток во входной и выходной цепях представляют собой суммы постоянных и переменных составляющих. При увеличении мгновенное напряжение на коллекторе уменьшится и его приращение будет равно

(2.38)

Линия нагрузки по переменному току, угол наклона которой равен , проходит через точку покоя (точка О).

Если во входную (базовую) цепь каскада подается входное напряжение амплитудой , то рабочая точка на входной нагрузочной характеристике будет перемещаться вверх, в точку 1 при положительной полуволне входного сигнала, и вниз, в точку 2 при отрицательной полуволне входного сигнала. В базовой цепи транзистора создается переменная составляющая тока базы , которая вызывает появление переменной составляющей тока коллектора . Это вызывает перемещение рабочей точки по выходной нагрузочной характеристике вверх при положительной полуволне входного сигнала ( уменьшается) и вниз при отрицательной полуволне ( возрастает). Таким образом, схема с ОЭ изменяет фазу входного сигнала на 180° (схема инвертирует входной сигнал).

Для получения минимальных искажений необходимо, чтобы рабочая точка не заходила при перемещении вверх в область нелинейных участков ВАХ (транзистор из активного режима может переходить в режим насыщения), а при перемещении вниз - в область начальных токов (область отсечки) . Графический расчет, кроме того, позволяет определить следующие параметры: входное сопротивление

коэффициент усиления по напряжению коэффициент

Усиления по току

коэффициент усиления по мощности

2.9 Усилительный каскад с общим эмиттером

Усилительные каскады на биполярных транзисторах с резисторными нагрузками в цепи коллектора нашли широкое применение в предварительных каскадах усиления. Они обеспечивают усиление по напряжению, току, мощности.

Рис.2.15 Принципиальная схема усилительного резисторного каскада в схеме с ОЭ

Принципиальная схема усилительного резисторного каскада с ОЭ представлена на рис.2.15. Входной сигнал поступает на базу транзистора от генератора напряжения с внутренним сопротивлением . Разделительный конденсатор служит для предотвращения протекания постоянной составляющей тока азы через источник входного сигнала. При отсутствии в цепи источника входного сигнала создавался бы постоянный ток от источника питания , который мог бы вызвать падение напряжения на внутреннем сопротивлении источника сигнала, изменяющее режим работы транзистора и приводящее к нагреву источника сигнала. Конденсатор на выходе усилительного каскада обеспечивает выделение переменной составляющей коллекторного напряжения, которая поступает на нагрузочное устройство с сопротивлением . Элементы обеспечивают режим каскада по постоянному току и температурную стабилизацию.

Параметры усилителя (коэффициенты усиления по току , напряжению и мощности ; входное и выходное сопротивления) определяются с использованием аналитического метода, при котором на основе малосигнальной эквивалентной схемы транзистора строится эквивалентное представление каскада по переменному току и проводится его расчет (рис.2.16).

Рис.2.16 Эквивалентная схема усилительного каскада в схеме с ОЭ в диапазоне средних частот

Расчет параметров каскада производится для области средних частот усиления, где зависимость параметров от частоты минимальна и не учитывается в расчетах. Сопротивления конденсаторов очень малы и ими можно пренебречь.

Резистор зашунтирован конденсатором и на эквивалентной схеме не учитывается. При переменном токе сопротивление источника питания близко к нулю, поэтому верхний вывод резисторов на схеме замещения соединяется с выводом эмиттера.

Цепь базы транзистора представлена на эквивалентной схеме объемным сопротивлением активной области базы , составляющим единицы-сотни Ом. Эмиттерный переход представлен дифференциальным сопротивлением , лежащим в пределах единиц-десятков Ом. Закрытый коллекторный переход представлен дифференциальным сопротивлением , составляющим сотни кОм.

Входное сопротивление каскада представляет собой сопротивление параллельного соединения резисторов и сопротивления входной цепи транзистора :

(2.39)

Сопротивление входной цепи транзистора определяется как . Учитывая, что через сопротивление протекает ток , а через сопротивление - ток , получим:

Тогда входное сопротивление усилительного каскада определяется выражением

(2.40)

Значение для каскада с ОЭ составляет сотни Ом или единицы кОм.

Если резистор в схеме (рис.2.15) не зашунтирован по переменному току конденсатором , то последовательно с в эквивалентной схеме усилителя необходимо включать сопротивление . Входное сопротивление в этом случае определяется выражением

(2.41)

Сравнение выражений (2.40) и (2.41) показывает, что введение отрицательной обратной связи по переменному току значительно увеличивает входное сопротивление усилительного каскада, а включение низкоомного делителя , улучшающего температурную стабильность усилителя, значительно снижает его входное сопротивление.

Выходное сопротивление усилительного каскада определяется со стороны выходных зажимов при отключенной нагрузке и нулевом входном сигнале . Из эквивалентной схемы (рис.2.16) видно, что выходное сопротивление каскада определяется параллельным включением сопротивления и выходные сопротивлением самого транзистора, близким по величине к

Обычно и считается, что выходное сопротивление определяется сопротивлением резистора и составляет единицы кОм.

Коэффициент усиления по напряжению каскада определяется как отношение выходного напряжения на нагрузке к ЭДС источника сигнала . Значение определяется выражением где знак минус указывает на то, что выходное напряжение находится в противофазе с входным. Ток базы определяется выражением



тогда

(2.42)

Анализ выражения (2.42) показывает, что коэффициент усиления каскада по напряжению тем больше, чем больше выходное сопротивление каскада по сравнению с и чем больше статический коэффициент

В идеальном усилителе напряжения (), который работает в режиме холостого хода (), коэффициент усиления будет максимальным и равным:

(2.43)

Коэффициент усиления по току определяется отношением тока в нагрузке ко входному току Ток в базе и ток в нагрузке определяются следующими выражениями:

(2.44)

Подставив полученные соотношения в выражение для коэффициента усиления по току, получим:

(2.45)

В идеальном усилителе тока (), который работает в режиме короткого замыкания (), имеем .



Рис.2.17 Эквивалентная схема усилительного каскада в схеме с ОЭ в диапазоне низких частот

При работе каскада в схеме с ОЭ в диапазоне низких частот необходимо учитывать емкости разделительных конденсаторов , и Поскольку сопротивления конденсаторов на низких частотах возрастают, то эквивалентная схема каскада имеет следующий вид (рис.2.17). Сначала рассмотрим влияние разделительного конденсатора на изменение коэффициента усиления по напряжению:

(2.46)

где - сопротивление емкости,

Отношение коэффициента усиления на низких частотах к коэффициенту усиления на средних частотах равно

(2.47)

где - постоянная времени входной цепи усилительного каскада.

Коэффициент частотных искажений определяется выражением

(2.48)

Для уменьшения частотных искажений при прочих равных условиях необходимо увеличивать Коэффициент частотных искажений, вносимый разделительным конденсатором , определяется следующим выражением:

(2.49)

где

Рассмотрим влияние емкости на частотные искажения. Предположим, что и в первый момент времени после поступления входного сигнала влияние несущественно.

По мере зарядки уменьшается эмиттерный ток, а следовательно, и ток базы. Когда емкость зарядится полностью, то через нее не будет протекать ток.

Сопротивление в эмиттерной цепи будет равно вместо начального значения . Это приведет к уменьшению тока базы и изменению коэффициента усиления по напряжению.

В этом состоит принципиальная особенность влияния емкости на частотные искажения.

Постоянная времени равна произведению на параллельное сопротивление и выходного сопротивления каскада со стороны эмиттера транзистора, т.е. выходного сопротивления каскада с ОК, величина которого не превышает десятков Ом:

Коэффициент частотных искажений, вносимый , максимальный и определяется выражением

(2.50)

Коэффициент частотных искажений в диапазоне низких частот, вносимый емкостями усилительного каскада, равен

дБ.

Рис.2.18 Эквивалентная схема усилительного каскада в схеме с ОЭ в диапазоне высоких частот

Для уменьшения в усилительном каскаде в схеме с ОЭ требуется увеличивать и в большей степени.

При работе каскада с ОЭ в диапазоне высоких частот на частотные искажения сильное влияние оказывают емкость коллекторного перехода и емкость нагрузки. Эквивалентная схема каскада в диапазоне высоких частот представлена на рис 2.18. Постоянная времени каскада с ОЭ в области высоких частот определяется выражением , тогда коэффициент частотных искажений в области высоких частот

2.10 Усилительный каскад по схеме с общей базой

Усилительный каскад на биполярном транзисторе, включенном по схеме с общей базой, может использовать один или два источника питания. Рассмотрим каскад с ОБ с одним источником питания, принципиальная схема которого приведена на рис.2.19, а. В этом каскаде для создания оптимального тока базы в режиме покоя , обеспечивающего работу усилительного каскада на линейном участке входной характеристики, служат резисторы и . Конденсатор имеет в полосе пропускания усилителя сопротивление значительно меньше , и падение напряжения на нем от переменной составляющей тока мало, поэтому можно считать, что по переменной составляющей тока база соединена с общей точкой усилительного каскада. Входное напряжение подается между эмиттером и базой через разделительный конденсатор . Выходное напряжение снимается между коллектором и базой через разделительный конденсатор . Резистор служит для прохождения постоянной составляющей тока эмиттера и для того, чтобы не шунтировало входное сопротивление каскада, оно на два-три порядка выше этого сопротивления.



Рис.2.19 Принципиальная (а) и эквивалентная (б) схемы усилительного каскада в схеме с ОБ

При подаче на вход рассматриваемого каскада положительной полуволны входного сигнала ток и эмиттера, и коллектора будет уменьшаться. Это приводит к уменьшению падения напряжения на и увеличению напряжения , что вызывает формирование положительной полуволны выходного напряжения . Полярности входного и выходного напряжений совпадают, схема не инвертирует входной сигнал.

Анализ работы усилительного каскада с общей базой по входным и выходным характеристикам проводится аналогично анализу работы каскада с ОЭ. Выходные характеристики транзистора в схеме с ОБ более линейны, чем в схеме с ОЭ, поэтому нелинейные искажения в этом случае меньше.

Расчет параметров усилительного каскада с ОБ по переменному сигналу в области средних частот проводится по эквивалентной схеме, представленной на рис.2.19, б. На ней не показаны разделительные конденсаторы , и конденсатор , с помощью которого заземляется база транзистора по переменному току, так как их номиналы выбраны такими, что емкостные сопротивления даже в области низких частот невелики и при анализе их можно не учитывать.

Входное сопротивление каскада определяется как параллельное соединение и входного сопротивления транзистора:

. (2.51)

Согласно выражению (2.51), входное сопротивление каскада определяется преимущественно сопротивлением эмиттерной области транзистора и составляет 10...50 Ом.

Малое входное сопротивление каскада является существенным недостатком. Каскад с ОБ создает большую нагрузку для источника входного сигнала. Выходное сопротивление каскада с ОБ определяется, как и у каскада с ОЭ, сопротивлением резистора . При небольшом его значении ()

(2.52)

и составляет единицы-десятки кОм. Если соизмеримо с , то .

Коэффициент усиления по току рассчитывается, как в каскаде с ОЭ. По переменной составляющей ток коллектора связан с током эмиттера следующей зависимостью: Входной сигнал поступает в цепь эмиттера транзистора, поэтому усиление по току меньше единицы и определяется выражением

 (2.53)

Это является другим существенным недостатком каскада с ОБ.

Коэффициент усиления по напряжению определяется с помощью эквивалентной схемы каскада по переменному сигналу как отношение амплитуды выходного сигнала к амплитуде входного сигнала и имеет вид

(2.54)

Коэффициент усиления по напряжению каскада с ОБ существенно зависит от сопротивления нагрузки и внутреннего сопротивления источника сигнала. При и достаточно большом коэффициент усиления по напряжению каскада ОБ приближается к величине каскада ОЭ. Если же использовать последовательное соединение нескольких каскадов с ОБ, то нагрузкой предыдущего каскада является очень малое входное сопротивление последующего, в связи с этим получить большой коэффициент усиления по напряжению не удается.

Коэффициент частотных искажений для области НЧ в каскаде ОБ определяется влиянием разделительных конденсаторов , и рассчитывается по тем же формулам, что и для схемы с ОЭ. Общий коэффициент равен

дБ.

Наибольшие частотные искажения вносятся входной цепью, ибо где - выходное сопротивление предыдущего каскада.

Коэффициент частотных искажений в области ВЧ определяется, как и в схеме ОЭ, он значительно меньше, чем в каскаде с ОЭ. Каскад с ОБ характеризуется: малым входным сопротивлением (десятки Ом); относительно высоким выходным сопротивлением (единицы-десятки кОм); коэффициентом усиления по току меньшим единицы; коэффициентом усиления по напряжению, зависящим от сопротивления нагрузки; малыми нелинейными искажениями.

2.11 Усилительный каскад с общим коллектором (эмиттерный повторитель)

Схема усилительного каскада с ОК приведена на рис.2.20, а. Резистор, с которого снимается выходное напряжение, включен в эмиттерную цепь. Коллектор через очень малое внутреннее сопротивление источника питания по переменному сигналу (емкость источника питания велика) соединен с землей, значит, вывод коллектора является общим для входной и выходной цепей усилителя.

Рис.2.20 Принципиальная (а) и эквивалентная (б) схемы усилительного каскада в схеме с ОК (эмиттерный повторитель)

Для каскада с ОК справедливо равенство

 (2.55)

Если выходное напряжение значительно больше напряжения , то оно приблизительно равно входному. В связи с этим каскад с ОК называют эмиттерным повторителем. Этот каскад относится к усилителям с глубокой отрицательной ОС по напряжению.

В режиме покоя, т.е. при , резисторы и задают начальный ток смещения. Его значения выбирают таким, чтобы рабочая точка в режиме покоя находилась примерно посередине линейного участка входной характеристики. Разделительные конденсаторы и выполняют те же функции, что и в каскаде с ОЭ.

В каскаде с ОК напряжение входного переменного сигнала подается между базой и коллектором (общей точкой) через разделительный конденсатор . Выходное напряжение, равное падению напряжения на резисторе от переменной составляющей эмиттерного тока, снимается между эмиттером и коллектором через конденсатор связи . Расчет каскада по постоянному току проводят по аналогии с каскадом с ОЭ. Анализ каскада по переменному сигналу проводят с помощью эквивалентной схемы, представленной на рис.2.20, б. Входное сопротивление каскада ОК определяется параллельным соединением резисторов и сопротивлением входной цепи транзистора :

(2.56)

Входное сопротивление цепи транзистора равно

(2.57)

Анализ выражений (2.56) и (2.57) показывает, что сопротивление входной цепи транзистора и входное сопротивление каскада с ОК больше, чем в схеме с ОЭ. В практических схемах достигает 200...300 кОм. Причем входное сопротивление не остается постоянным, а зависит от сопротивления нагрузки. Для его увеличения часто не включают в схему резистор . Высокое входное сопротивление является одним из главных преимуществ каскада с ОК. Это требуется в случае применения каскада в качестве согласующего устройства при работе от источника входного сигнала с большим внутренним сопротивлением.

Выходное сопротивление каскада с ОК представляет собой сопротивление схемы со стороны эмиттера и определяется как

(2.58)

Выходное сопротивление каскада с ОК мало, порядка 10...50 Ом, и сильно зависит от внутреннего сопротивления источника сигнала. Малое выходное сопротивление очень важно при использовании каскада в качестве согласующего устройства для работы на низкоомную нагрузку.

Коэффициент усиления по току в каскаде с ОК определяется следующим образом:

(2.59), где

Следовательно, равен:

(2.60)

Анализ выражения показывает, что каскад с ОК имеет коэффициент усиления по току больше, чем каскады с ОЭ и ОБ.

Коэффициент усиления по напряжению каскада с ОК относительно входного генератора равен

(2.61)

Коэффициент усиления по напряжению каскада с меньше единицы, поэтому его часто называют коэффициентом передачи напряжения.

Эмиттерный повторитель обычно применяют для согласования высокоомного источника усиливаемого сигнала с низкоомным нагрузочным устройством. Температурная стабилизация в каскаде ОК обеспечивается резистором .

Каскад с ОК характеризуется: высоким входным сопротивлением (сотни кОм), зависящим от сопротивления нагрузки низким выходным сопротивлением (несколько Ом), зависящим от внутреннего сопротивления источника сигнала; высоким коэффициентом усиления по току; коэффициентом усиления по напряжению, меньшим единицы; совпадением по фазе входного и выходного напряжений.

Тема 3. Многокаскадные усилители

3.1 Особенности построения многокаскадных усилительных трактов

С помощью одиночного каскада трудно обеспечить желаемое усиление сигналов, необходимые свойства усилительной схемы по ее входному или выходному сопротивлению, требуемые по условиям работы предельные значения выходных токов и напряжений. В связи с этим усилительные тракты приходится выполнять по многокаскадной схеме, включающей два и более последовательно соединенных каскадов.

В общей структуре многокаскадного усилительного тракта можно выделить три основных звена. Это входной каскад, один или несколько каскадов предварительного усиления, выходной или выходные каскады. На входной каскад помимо основной функции (функции усиления) возложена задача согласования выходного сопротивления источника сигнала с входным сопротивлением усилительного тракта. Под согласованием здесь понимаются мероприятия по повышению коэффициента передачи входной цепи, которое достигается в первую очередь за счет использования во входном каскаде схемных конфигураций с повышенным входным сопротивлением. Так, включение на входе усилительного тракта дополнительного каскада ОК или ОС хотя и не приводит к повышению коэффициента усиления по напряжению самого тракта, но приближает значение коэффициента передачи входной цепи в схеме рис.2 к его предельному значению, равному единице. Во входном каскаде стремятся располагать и органы регулировки усиления, при этом цепи регулировки во избежание возможной перегрузки усилительного прибора сигналами большого уровня по возможности располагают до его входных зажимов.

В ряде случаев к усилительному тракту предъявляется требование предельной чувствительности. При этом схемное и конструктивное выполнение входного каскада должно быть реализовано с учетом его малошумного построения, предполагающего использование основных схем включения усилительного прибора (включений ОЭ и ОИ), отказ от применения во входных каскадах полевых транзисторов с изолированным затвором. Более детальное рассмотрение принципов построения малошумящих усилительных схем.

Основной функцией каскадов промежуточного усиления является обеспечение основного усиления по напряжению. Обычно эти каскады обладают большим усилением, в связи, с чем при их организации особое внимание обращается на обеспечение устойчивой и стабильной работы.

Выходные каскады предназначены для обеспечения в нагрузке требуемых обычно больших сигнальных токов и напряжений, т.е. больших сигнальных мощностей. Поэтому их часто называют усилителями мощности.

3.2 Способы межкаскадных связей

3.2.1 Усилители с непосредственными межкаскадными связями

В многокаскадной усилительной схеме сигналы с выхода предшествующего каскада передаются на вход последующего. Простейшей межкаскадной связью, с помощью которой осуществляется эта передача, является непосредственная связь. В ней входной зажим последующего каскада эквипотенциален с выходным предшествующего как на постоянном, так и на переменном токе.

Рис.3.1

К схемам с непосредственными межкаскадными связями относятся двухтранзисторный усилительный тракт ОЭ-ОБ (рис.3.1, а) в котором выходной (коллекторный) вывод первого каскада (каскада ОЭ на транзисторе VT1) непосредственно соединен с входным (базовым) зажимом второго каскада (каскада ОБ на транзисторе VT2). На рис.3.1, б приведен вариант схемного построениям ОЭ-ОБ, работа которого требует наличия двух источников питания. В нем базовый вывод каскада ОБ непосредственно соединен с точкой нулевого потенциала, что упрощает по сравнению со схемой рис.3.1, а структуру каскада, улучшает его частотные свойства в области НЧ.

Питание каскадов рис.3.1, а, б организовано по так называемой схеме последовательного питания каскадов. При этой схеме выходные цепи каскадов образуют последовательное соединение, в результате в выходных цепях всех каскадов протекают практически одинаковые постоянные токи.

При питании каскадов по параллельной схеме выходные цепи каскадов по отношению к источникам питания образуют параллельное соединение, а выходные токи каскадов обычно имеют различающиеся значения. На рис.3.2 приведены примеры такого построения схемы питания каскадов на постоянном токе для двухтранзисторных усилителей типа ОЭ-ОЭ. Схемы усилителей организованы как тракты с непосредственными межкаскадными связями. При этом в схеме рис.3.2, б осуществлено чередование транзисторов по типу проводимости. Такое чередование позволяет обеспечить в многокаскадных схемах с непосредственными межкаскадными связями работу транзисторов в линейной области ВАХ при относительно невысоких значениях напряжений источников питания.



Рис.3.2

К достоинствам непосредственных межкаскадных связей следует отнести простоту ее реализации, отсутствие при ее использовании низкочастотных искажений, возможность стабилизации режимов работы на постоянном токе усилительного тракта в целом за счет охвата этого тракта общей петлей ООС. Непосредственная связь широко используется в усилителях постоянного тока и в аналоговых микросхемах.

3.2.2 Усилители с гальваническими межкаскадными связями

В аналоговых микросхемах и усилителях постоянного тока часто используется гальваническая межкаскадная связь, которая в отличие от непосредственной предполагает включение в цепь межкаскадной связи специальной потенциалопонижающей схемы, называемой схемой сдвига уровня (ССУ). Обычно в качестве ССУ используют резистивные цепи, прямо смещенные диоды или стабилитроны. В отличие от непосредственной гальваническая межкаскадная связь обеспечивает отличие постоянного потенциала на входе последующего каскада от соответствующего выходного потенциала предшествующего на определенную величину, называемую напряжением сдвига .

Работу схемы сдвига уровня стараются организовать таким образом, чтобы она не влияла на прохождение сигнальных составляющих. Примеры простейших схемных построений, обладающих указанными свойствами, приведены на рис.3.3 В них в роли потенциально сдвигающего элемента использован стабилитрон VD1. Дифференциальное сопротивление стабилитрона пренебрежимо мало, в результате чего он практически не влияет на прохождение сигнальных составляющих. Более подробно принципы организации

Рис.3.3 Рис.3.4 схем сдвига уровня будут рассмотрены в главе, посвященной базовым схемным конфигурациям, используемым при построении аналоговых микросхем.

3.2.3 Каскады и цепи с емкостной связью

Широкое применение находит емкостная связь, при которой в качестве элемента связи выступает конденсатор, называемый разделительным. Конденсатор разделяет каскады по постоянному напряжению, объединяя их по переменной (сигнальной) составляющей. Этот вид межкаскадной связи применяется в усилителя переменного сигнала. Существенным недостатком емкостной меж каскадной связи является то, что в усилителях сигналов относительно невысоких частот, в том числе и в усилителях звуковых частот, во избежание существенных низкочастотных искажений требуется использовать конденсаторы большой емкости, что делает невозможным исполнение усилительного тракта в виде микросхемы. Кроме того, при построении усилительного тракта с использованием емкостной связи невозможно повысить стабильность и определенность режимов работы его каскадов за счет охвата тракта в целом соответствующей петлей ОС, так как в этом случае петля оказывается разомкнутой на постоянном токе внутри самого усилительного тракта. В то же время емкостные межкаскадные связи часто организуются специально с целью обеспечения дополнительной фильтрации сигналов в низкочастотной спектральной области. Частотные свойства типовой разделительной цепи определяются соотношением

3.2.4 Трансформаторная межкаскадная связь

Соединение двух участков сигнальной цепи с помощью трансформатора называется трансформаторной связью. К достоинству связи этого вида следует отнести то, что при ее применении выбором коэффициента трансформации можно обеспечить оптимизацию значения нагрузки усилительного прибора и тем самым реализовать возможность получения предельных значений сигнальной мощности, отдаваемой в нагрузку. В связи с этим трансформаторное подключение нагрузки к выходной цепи транзистора используется в оконечных каскадах усилителей мощности, где требуется получение больших сигнальных мощностей и высоких значений КПД.

К недостаткам трансформаторной связи следует отнести ее неширокую полосу пропускания (малое значение отношения верхней граничной частоты полосы пропускания к нижней), большие габаритные размеры трансформаторов, их массу и стоимость.

Пример использования трансформатора в качестве элемента межкаскадной связи приведен на рис.3.4

Схема имеет типовое построение на постоянном токе, при этом постоянное напряжение на базу во втором каскаде вводится через вторичную обмотку трансформатора.

3.2.5 Оптроны как элементы межкаскадных связей и гальванических развязок

В ряде случаев возникает потребность гальванической развязки отдельных звеньев усилительного тракта. При этом широкое применение находит оптоэлектронная развязка, основанная на включении в состав тракта оптрона. Пример такого схемного построения приведен на рис.3.5 Здесь светодиод VD2 выступает в роли преобразователя ток - свет. Преобразование имеет нелинейный и температурно-зависимый характер, поэтому в схеме предусмотрена возможность охвата усилительного тракта петлей ООС, действующей как на постоянном, так и на переменном токе. В роли датчика, осуществляющего преобразование светового излучения в ток в этой петле, выступает один из фотодиодов (фотодиод VD1).

Рис.3.5

Сигнальный ток на входе транзистора VТ2 образуется в результате преобразования свет - ток, осуществляемого с помощью фотодиода VD3. Все фотодиоды работают при обратно смещенных переходах, так как при таком режиме они обладают наибольшей линейностью преобразования свет - ток, а также высокой чувствительностыо и быстродействием. Разделяемые оптроном участки тракта питаются от различных источников и , чем обеспечивается возможность осуществления полной гальванической развязки между разделяемыми участками тракта.

3.3 Составные транзисторы. каскоднля схема

Составной транзистор. В качестве усилительного элемента может быть применён не только один транзистор, но и комбинация из двух или больше транзисторов. Такая комбинация называется составной транзистор. Поскольку составной транзистор рассматривается как единый УЭ, он имеет три электрода, эквивалентные базе, эмиттеру и коллектору обычного транзистора. Составной транзистор обладает свойствами, которые получить в обычных транзисторах либо трудно, либо практически невозможно. Наиболее часто составной транзистор представляет собой комбинацию из двух транзисторов с непосредственной связью между ними. Иногда это не только каскадно соединенные транзисторы, но и комбинации из транзисторов и резисторов, включенных в цепь базы и эмиттера.

Рис.3.6

В настоящее время составные транзисторы широко используются в усилительной технике: в аналоговых интегральных схемах, в современных усилителях с бестрансформаторным двухтактным выходом, в эмиттерных повторителях с большими выходными токами и т.д. Составные транзисторы целесообразно использовать и в том случае, когда для конкретного усилителя не удается подобрать транзисторы с нужными параметрами, выпускаемые промышленностью.

Пара Дарлингтона. Схемы наиболее часто применяемых составных транзисторов показаны па рис, 3.6. Наибольшее распространение получила схема рис.3.6, а, известная в литературе под названием схемы (или пары) Дарлингтона.

Пару Дарлингтона можно включать по схеме с ОЭ, (ОК или ОБ, используя при этом транзисторы р-п-р пли п-р-п типа. Наибольший эффект дает включение составного транзистора по схеме с ОЭ и ОК; в схеме с ОБ усиление пары Дарлингтона мало отличается от усиления обычного транзистора. Действительно, из рис.3.6 а следует

, (3.1)

где - коэффициент усиления по току схемы с ОЭ первого и второго транзисторов соответственно.

Тогда эквивалентный коэффициент усиления по току пары Дарлингтона

. (3.2)

Из (3.2) следует, что эквивалентный коэффициент усиления по ток у (Дарлингтона при включении ее по схеме с ОЭ практически равен произведению коэффициентов усиления транзисторов и .

Но если и имеют значения 50-100, то = (0,25-1) .

Аналогично можно показать, что при включении пары Дарлингтона по схеме с ОБ, результирующий коэффициент усиления по току

. (3.3)

Если транзисторы в паре Дарлингтона одинаковы, то из (3.3) следует что . Транзисторы в паре Дарлингтона работают в разных режимах; ток превышает ток примерно в . Поскольку коэффициент усиления сильно зависит от режима работы транзистора, а транзистор V2 (рис.3.6 а) обычно работает при нормальном эмиттерном токе, то коэффициент усиления может быть существенно ниже . Это приведет тому, что эквивалентный коэффициент усиления пары Дарлингтона будет меньше по сравнению со значением, определяемым (3.2). Для выравнивания токов и параллельно эмиттерному переходу транзистора в пары Дарлингтона включают резистор, однако это несколько снижает эквивалентное усиление.

Рис.3.7

Граничная частота составного транзистора при включении его в схемy с ОБ несколько превышает граничную частоту наиболее высоко-частотного из примененных транзисторов; для схем с ОЭ и ОК граничная частота оказывается несколько ниже граничной частоты наиболее низкочастотного из примененных транзисторов. Входное сопротивление составного транзистора в схемах с ОЭ и ОК при невысоком сопротивлении нагрузки больше, чем у отдельных транзисторов.

На рис.3.6 б показана схема ещё одного составного транзистора с разными типами проводимостей р-п-р и п-р-п. Как следует из направлений результирующих токов, показанных на рис.3.6 б этот составной транзистор р-п-р типа. Его коэффициент усиления по току т.е. практически равен эквивалентному коэффициенту усиления по току пары Дарлингтона.

Каскадная схема. Вариантом составного транзистора является каскадная схема, представляющая собой последовательное включение по ременному току двух транзисторов (рис.3.7). Входной транзистор V1 включён по схеме с ОЭ, выходной - по схеме с ОБ. Выходной ток таре составного транзистора

.

Тогда эквивалентный коэффициент усиления по току . Следовательно, коэффициент усиления эмиттерного тока при каскадном соединении мало отличается от соответствующего коэффициента усиления одного транзистора V1. Входное сопротивление каскадного усилителя определяется входным сопротивлением транзистора V1 и не зависит от сопротивления нагрузки; частота верхнего среза зависит от параметра транзистора V1 и сопротивления источника сигнала. Таким образом, каскадная схема по сравнению с обычным усилительным каскадом по схеме с ОЭ не даёт выигрыша по коэффициенту усиления и по входному и выходному сопротивлениям.

Однако каскадный усилитель обладает важнейшим преимуществом - слабой связью между выходом и входом такого составного транзистора.

Известно, что наличие в обычном транзисторе емкости С_к и сопротивления r_к между коллектором и базой приводит к появлению обратной связи между выходом и входом транзистора, что вызывает ряд неприятных последствий в работе усилителя.

Так, при определенных условиях это может вызвать самовозбуждение усилителя; такая обратная связь увеличивает входную емкость каскада, а следовательно, ухудшает его частотную характеристику.

Рис.3.8

Хорошая развязка выхода и входа в каскадном усилителе объясняется тем, что нагрузкой транзистора V1 является малое входное сопротивление транзистора V2, включенного по схеме с ОБ, т, е. транзистор V1 каскадного усилителя работает практически в режиме короткого замыкания коллекторной цепи. При этом коэффициент усиления по напряжению транзистора мал, а следовательно, мало и напряжение обратной связи с выхода транзистора V1 на его вход. С другой стороны, ёмкость коллекторного перехода мало влияет на входное напряжение V2, так как база этого транзистора по высокой частоте замкнута на землю. Всё это резко уменьшает обратную связь между выходом и входом, повышает устойчивость усилителя. Помимо этого, в каскадном усилителе нелинейные искажения меньше, чем в обычном усилителе, собранном по схеме с ОЭ. Благодаря отмеченным особенностям работы каскадный усилитель нашёл широкое применение, особенно в резонансных каскадах. Каскадный усилитель выполняется и в микросхемных вариантах. Например, микросхема К118УН2 (рис.3.8 а) состоит из трех транзисторов, два из которых V2 и V3 образуют каскадный усилитель ОЭ-ОБ. Третий транзистор V1 служит для создания необходимого режима работы транзисторов по постоянному току, он включен по схеме с ОЭ и охвачен обратной связью по напряжению через резистор RL Вывод 3 можно использовать для подачи сигнала, если усилитель выполняется только на транзисторах V2 и V3. Подключением к выводу 13 конденсатора большой емкости обеспечивается заземление по переменному току базы транзистора V2. Микросхема может использоваться как с внутренней нагрузкой (резистор R5), так и с различными по характеру внешними нагрузками, включаемыми между выводами 7 и 10, При подаче сигнала на вывод 1 транзистора V1 обеспечивается его дополнительное усиление.

Принципиальная схема каскада усиления промежуточной частоты на микросхеме К118УН2 приведена на рис.3.8 б. Нагрузкой каскадного усилителя является избирательная система C5L2. Недостатком каскадных схем с последовательным соединением транзисторов является необходимость более высоких напряжений источников питания по сравнению с обычным каскадом.

Тема 4. Основные особенности аналоговой микросхемотехники

Всё больше узлов РЭУ выполняется на ИМС. При разработке принцип схем для интегральной технологии необходимо учитывать ряд особенностей:

В ИМС не могут быть изготовлены трансформаторы, катушки, конденсаторы большой ёмкости. Поэтому почти все ИМС разрабатываются без применения блокировочных и разделительных конденсаторов. Широко применяют эквиваленты электронных катушек индуктивности.

Точность получения заданных параметров отдельных интегральных элементов и их температура стабильность оказываются пониженными. В то же время наладка в ИМС невозможна. Всё это требует точных схемных решений и применение ООС по переменному и постоянному току.

Из всех элементов ИМС наименьшую площадь на подложке занимает транзистор. Поэтому резистор заменяют транзистором, применяя динамический нагрузки или генераторы стабильного тока.

В ИМС достигается высокая степень идентичности одинаковых элементов.

Особенность полупроводниковых ИМС - большое число транзисторов, выполняющие функции активных и вспомогательных компонентов.

4.1 Генераторы стабильного тока (ГСТ), генераторы малого стабильного напряжения (ГМСН) и схемы сдвига уровня

ГСТ - двухполюсник, ток через который почти не зависит от приложенного ему напряжения. Его сопротивление для переменной составляющей тока будет в идеале бесконечно. Простейший ГСТ - транзистор с фиксированным смещением, та как его почти не зависит от U_k.

Для уменьшения зависимости i_k от U_K прибегают к следующей схеме:

В цепь эмиттера включается резистор ОС R1, а потенциал базы фиксируется делителем R2, R3 образуется схема эмиттерной стабилизации i_k, которая уменьшает нестабильность i_k от U_k и температуры.

Для дальнейшей стабилизации включается диод VD (последовательно с R3). Он имеет отрицательный ТК прямого напряжения диод VD осуществляет термокомпенсацию тока через транзистор VT.

Рис.4.1 Схемы генератора стабильного тока

ГСТ называют также стабилизаторами или эталонами тока, электронными резисторами и динамическими нагрузками.

Пример: транзистор VT2 является усилителем с общим эмиттером, а вместо R_k включен транзистор VT1 как ГСТ. Благодаря этому весь переменный ток транзистора VT2 протекает в сопротивление полезной нагрузки. Это увеличивает K и .

В сущности назначение ГСТ - большое сопротивление для переменного тока и малое сопротивление для постоянного тока. Последнее обстоятельство обеспечивает малые потери на нём напряжение, а значит, и мощности, что выгодно отличает ГСТ от резистора (кроме того, резистор с большим сопротивлением занял бы много места на подложке)

ГМСН - это низковольтные (1В) стабилизаторы напряжения применяемые в ИМС для подачи смещения и др. Это пассивный двухполюсник, где напряжение не зависит от тока (в простейшем случае - диод VD, однако он стабилизирует напряжение до 0,7В, что недостаточно).



Рис.4.2 Схема сдвига нуля

База транзистора VT включается к промежуточной точке делителя. Здесь , а значит и - стабильны.

Все приращение внешнего напряжения приложено к R1, что будет увеличивать ток через делитель и , а . Изменяя соотношение сопротивлений R1, R2 можно изменять

Рис.4.3 Схема генератора малого стабильного напряжения

Схемы сдвига уровня: так как в ИМС не используют разделительный конденсатор, то в цепях межкаскадных связей необходимо гасить (или сдвигать) уровень постоянного напряжения, и в то же время хорошо передавать переменное напряжение. Простейшее устройство стабилитрон, однако он даёт высокий уровень шума, транзистор VT1 служит эмиттерным повторителем и обеспечивает большое R_вх. В его эмиттерную цепь включают делитель сопротивления и ГСТ на транзисторе VT2. Так как , то делитель незначительно ослабляет переменное напряжение, а постоянное сопротивление обеспечивает - U_R, что и создает необходимый сдвиг.

4.2 Каскад на двух транзисторах с эмиттерной связью

Рис.4.4 Схема каскада на двух транзисторах с эмиттерной связью

Схема каскада симметрична. Содержит два транзистора с одинаковыми R_k и соединёнными эмиттерами, в общую цепь которых включён R_э (через него протекают постоянные токи эмиттера). Каскад имеет 2 входа (на Б) и может работать:

в качестве фазоинверсного (использование одного входа и два выхода)

в качестве вычитающего (дифференциального)

Чтобы исходные постоянные напряжения на базах и тем самым получить возможность подачи входных сигналов без применения разделительного конденсатора, коллекторные и эмиттерные цепи должны питать от отдельных источников , различающихся полярностью (что в интегральной технологии приемлемо). В этом случае каскад усиливает не только переменную, но и постоянную составляющую сигнала, т.е. является УПТ.

Проанализируем работу каскада. Под и будем понимать амплитуды напряжений переменного тока некоторой частоты (вплоть до нуля герц). Внутреннее сопротивление источников питания будем считать.

4.3 Работа каскада в качестве фазоинверсного

Пусть , . передаётся:

на собственный коллектор

на коллектор VT2

Знак "-" учитывает поворот напряжение при передаче с эмиттера на коллектор в схеме ОЭ

Передачу напряжения на коллектор транзистора VT2 можно условно разделить на 2 этапа:

1. Передача в точку соединения эмиттера . Фаза напряжения не меняется.

2. Передача напряжения с эмиттера на коллектор. При этом транзистор VT2 работает по схеме с общей базой (база транзистора VT2 заземлена). Фаза напряжения не меняется. Из схемы следует, что - только часть . Его можно найти, учитывая, что на 1 этапе транзистор VT1 работает как ЭП

, ,

Если , (т.к коэффициент передачи входного напряжения на эмиттер-база VT2 равен , а на эмиттер-база транзистора VT1 равен )

и равны по амплитуде и противоположны по фазе идеальный фазоинверсный каскад.

В случае, когда - ограничен (в интегральной технологии затруднительно )

для выравнивания необходимо увеличить .

В качестве в интегральной технологии используют ГСТ.

4.4 Работа каскада в качестве дифференциального

Дифференциальным (разностным) называют каскад, усиливающий разность напряжений

при на каждом из выходов получаются усиленные разности и .

При схеме между коллекторами:

Выходом между коллекторами называют дифференциальным каскад нечувствителен к синфазным входным напряжениям - это очень ценное свойство (позволяет избавиться от наводимых помех на входе)



т.е. на выход будут передаваться:

разностное входное напряжение

синфазное напряжение

коэффициент передачи равен

коэффициент передачи синфазного

В большинстве случаев входные сигналы не является синфазными или противофазными, а содержат одинаковую синфазную и отличающуюся дифференциальные части

В ДУ с полностью симметричными плечами синфазный сигнал по симметричному выходу полностью подавляется, а выходное напряжение пропорционально разности входных напряжений, т.е. их дифференциальной части (). Выходное напряжение по несимметричным выводам, кроме полезной дифференциальной составляющей, содержит и синфазную составляющую (с коэффициентом передачи ). Коэффициент, показывающий во сколько раз коэффициентом передачи синфазное входное напряжение меньше, чем дифференциального, называется коэффициентом ослабления синфазного сигнала (КООС).

Для увеличение КОСС вместе применяют ГСТ. Д.ля уменьшения входного тока выбирают минимально необходимыми для обеспечения требуемой скорости нарастания (это скорость заряда некоторой ёмкости с током - подробно рассмотрим в главе об ОУ). Обычно . Малый обуславливает низкий уровень шумов транзистора.

Дифференциальный каскад (ДК) широко применяется в ИМС благодаря основным свойствам (ДК - первый каскад ОУ):

Способность вычитать, т.е. нечувствительность к синфазным входным напряжениям. Это позволяет применять его для усиления дифференциальных сигналов и облегает подачу сигналов ОС, которые в интегральных усилителях всегда применяется.

Симметрия схемы, обеспечивающая малый дрейф нуля и слабую зависимость параметров от температуры и произвольного разброса параметров элементов, т.к они отклоняются одинаково в обоих плечах, что не приводит к разбалансировке схемы (интегральная технология обеспечивает высокую идентичность).

Ненужность блокировочного конденсатора в цепи эмиттеров и, несмотря на это, большой коэффициент усиления дифференциального сигнала, равный .

Если на входе ДУ установить транзистор VT и управлять его током, то будут изменяться токи транзисторов VT1 и VT2, а, значит, и их крутизна. Это позволяет создавать на основе ДК усилители с управляемыми коэффициентом усиления и перемножители.

4.5 Токовое зеркало (ТЗ). Типовые схемы ТЗ

Токовым зеркалом (зеркалом тока, отражателем тока, эталоном тока) называется транзисторный узел, у которого токи двух сходящихся в одну точку ветвей равны, причём один из них (входной) управляет другим (выходным).



Рис.4.5 Структурные схемы токового зеркала

-полный входной ток.

-полный выходной ток.

Оба тока (а)) стекаются в одну заземлённую точку. На выходную ветвь 2 подаётся (напряжение питания). ТЗ очень мало: , а - велико не зависит от , а определяется током .

Коэффициент передачи зеркала по току является его основным показателем:

ТЗ используются:

в качестве ГСТ

б) динамических нагрузок ДК, позволяя переходить от его симметричного выхода к несимметричному высокоомному (самое распространённое), пусть в исходном состоянии .

Когда на дифференциальный вход (между базами) поступает некоторое , , например, увеличивается на , а транзистора VT2 уменьшается на . Ток , поступает на вход ТЗ и поэтому будет повторён его выходной ветвью. Тогда выходной ток ДК определится разностью токов ветвей от точки а и составит , т.е. будет равен сумме полезных отклонений токов обоих транзисторов (подразумевается, что выход нагружен на другого каскада).

Если же на базе обоих транзисторов поступит относительно земли приращение синфазного , то транзистора VT1, и транзистора VT2 увеличатся на и выходной ток равен нулю синфазный сигнал на выход не проходит, т.е. КОСС=?.

Однако на практике входные и выходные токи ТЗ не равны и . Тогда КОСС для схемы б):

4.6 Типовые схемы ТЗ

Рис.4.6 Типовые схемы токовых зеркал

а) простейшая схема ТЗ

б) схема ТЗ с буферным транзистором

в) схема ТЗ со следящим напряжением питания VT2

а) В простейшей схеме базы присоединены к . Точка 1 - вход ТЗ; 2 - выход ТЗ.

Для увеличения КОСС необходимо (недостаток схемы - различие и на величину )

б) Для уменьшения недостатка схемы а), т.е. приближают , включают в качестве буферного. Он уменьшает разность токов ветвей в раз

Это достигается при равенстве всех транзисторов. Однако ток через транзистор VT3 меньше, чем через транзисторы VT1, VT2 во много раз. Для увеличения тока VT3 включают токоотводящий резистор.

Недостатком схем а), б) является низкое ТЗ зависит от , которое в случае высокоомной нагрузке м. б. значительным. Это приводит к разбалансу плеч, т.е. уменьшению . Для уменьшения разбаланса применяют схему со следящим напряжением питания транзистора VT2.

Здесь эмиттер транзистора VT3 повторяет транзистора VT1, благодаря чему транзистора VT1 и транзистора VT2 почти одинаковы и не зависят от . практически такой же, что и в предыдущем случае. Однако здесь схема не разбалансируется под действием выходного напряжения, т.е. работоспособна при более высокоомной нагрузке.

4.7 Усложнённые входные дифференциальные каскады (ДК)

Рис.4.7 Схема усложнённогых входных дифференциальных каскадов

Простой ДК с ТЗ имеет 2 недостатка:

1. Содержит транзистор разных типов проводимости (транзистор p-n-p в ИМС имеют малые и низкие )

2. В усилителе с таким каскадом на входе может наблюдаться триггерный эффект. В случае большого перепада входное напряжение один из транзисторов может открыться до насыщения. В отличие от нормального усилительного режима передачи не сопровождается переворотом . Если путь входит в петлю ОС, охватывающую весь интегральный усилитель (ИУ), ООС может превращается в ПОС и ИУ, подобно триггеру, скачком переходит в одно из крайних состоянии (или в режиме отсечки, или в режиме насыщения). Для возвращения ИУ в нормальный режим достаточно на короткое время отключить питание.