Усилительный каскад с общей базой.
Принципиальная схема каскада ОБ и его эквивалентная схема для области средних частот приведены на рис. 3.15 а и б соответственно.
Статический режим работы каскада задается источником смещения Есм и резистором Rг, в которое также входит и внутренне сопротивление источника сигнала ег.
Рис. 3.15
Входное сопротивление каскада. Из схемы рис. 3.15 б следует:
rвх=Uвх/iвх=Uэб/iэ; (3.33)
(3.34)
Тогда входное сопротивление
(3.35)
При Rк=0, rвх rэ+rб(1-a), так как rк>>rб.
При Rк>>rк, rвх=rэ+rб.
Практически Rк=1...5 кОм, поэтому , так как a=1. Следовательно, входное сопротивление каскада ОБ чрезвычайно мало и не превышает несколько десятков Ом, оно примерно в 1+b раз ниже входного сопротивления каскада ОЭ.
Выходное сопротивление, определенное из эквивалентной схемы рис. 3.15.б по методике для схемы каскада ОЭ:
, (3.36)
где .
Из этого выражения видно, что выходное сопротивление каскада ОБ растет с ростом Rг, стремясь к rк. Для реальных значений Rг rвых rк, т.е. довольно велико.
Коэффициент усиления напряжения для средних частот усиливаемого сигнала определяется выражением
, (3.37)
так как rк>>Rк.
Для области высоких частот
, (3.38)
где — граничная частота усиления транзистора в схеме ОБ; — постоянная времени коллекторной цепи.
Коэффициент усиления тока
. (3.39)
Таким образом, схема усилительного каскада ОБ, имея коэффициент усиления по току меньше единицы, позволяет получить значительное усиление по напряжению, а значит, и по мощности. По сравнению с другими, эта схема имеет наименьшее входное и наибольшее выходное сопротивления.
Так как емкость коллекторного перехода Ск меньше С*к в 1+b раз и меньше тоже в 1+b раз, то частотные свойства каскада ОБ лучше, чем каскада ОЭ тоже приблизительно в 1+b раз. В каскаде ОБ отсутствует сдвиг фазы напряжения.
3.6. Усилительный каскад с общим коллектором
Рис. 3.16
Принципиальная схема каскад ОК приведена на рис. 3.16 а, на рис. 3.16 б представлены диаграммы напряжений на входе и выходе схемы.
Коллектор транзистора в схеме рис. 3.16 а по переменной составляющей сигнала через источник питания соединен с общей шиной. Поэтому данная схема является схемой с общим коллектором.
Выходное напряжение, снимаемое с эмиттерного сопротивления Rэ, совпадает по фазе со входным и отличается от него на небольшую величиную, равную напряжению на переходе база-эмиттер Uбэ открытого транзистора:
.
Следовательно, потенциал эмиттера “привязан” к потенциалу базы и повторяет его изменения. По этой причине каскад ОК получил название — эмиттерный повторитель.
Управляющим напряжением транзистора является напряжение Uбэ.
Uбэ=Uвх-Uвых. (3.40)
Поскольку , то данную схему можно рассматривать как имеющую 100%-ную последовательную отрицательную обратную связь по напряжению.
Рис. 3.17
Входное напряжение каскада может быть найдено из эквивалентной схемы рис. 3.17
; (3.41)
. (3.42)
Входное сопротивление
. (3.43)
Рис. 3.18 |
Входное сопротивление зависит от Rэ (рис. 3.18).
Если Rэ=0
. (3.44)
При Rэ>>r*к
. (3.45)
В диапазоне практических значений 100<Rэ<10 кОм входное сопротивление
. (3.46)
Так как обычно Rэ>>rэ, то входное сопротивление эмиттерного повторителя в нормальном рабочем режиме много больше, чем в схемах ОБ и ОЭ, но оно рпактически ограничено величиной rк.
Выходное сопротивление определяется по той же метолике, что и для схемы ОЭ, т.е., для определения rвых на выход схемы рис. 3.17 подаем напряжение U2. а источник ег закорачиваем, тогда
. (3.47)
Ток, потребляемый от источника U2, состоит из трех составляющих:
(3.48)
Тогда выходное сопротивление
. (3.49)
Рис. 3.19 |
Зависимость rвых(Rг) представлена на рис. 3.19.
При Rг=0
(3.50)
Для Rг>>r*к
(3.51)
Выходное сопротивление каскада ОК в нормальном режиме много меньше выходного сопротивления каскадов ОБ иОЭ, а его изменение много больше, чем в схемах ОЭ и ОБ. Для реальных значений Rг=1...10 кОм с учетом Rэ выходное сопротивление каскада
. (3.53)
Коэффициент усиления напряжения
. (3.54)
Из эквивалентной схемы каскада (рис. 3.17) найдем
. (3.55)
Входное напряжение .
Тогда (3.56)
Максимальная величина коэффициента передачи напряжения будет при выполнении условия Rэ>>r*к>>rэ:
(3.57)
В нормальном рабочем режиме обычно выполняется условие r*к>>Rэ>>rэ, тогда
(3.58)
Коэффициенты усиления ЭДС — КE, тока — KI, мощности — Кр определяются выражениями:
; (3.59)
. (3.60)
При максимальной величине Ki, которая получается при условии r*к>>Rэ>>rэ, . Тогда
или . (3.61)
Итак, отличительными свойствами эмиттерного повторителя являются сравнительно большое входное сопротивление и малое — выходное, высокий коэффициент усиления тока и близкий к единице коэффициент передачи напряжения.
Эммитерные повторители нашли применение во входных и выходных каскадах. Их также часто используют при необходимости согласования между собой двух каскадов, например, ОБ и ОЭ и нагрузки. Следует заметить, что сопротивление внещней нагрузки оказывается включенным параллельно Rэ, т.е.
(3.62)
Эммитерный повторитель на составном транзисторе
Коэффициент усиления составного транзистора СТ, выполненного из двух Т1 и Т2:
, (3.63)
поскольку всегда b>>1.
Рис. 3.20 |
Значение bc может составлять несколько тысяч.
Тогда параметры повторителя на составном транзисторе могут ьыть определены по формулам (3.47)-(3.61) заменой b на bc.Например, без учета делителя R1—R2 входное сопротивление схемы рис. 3.20
. (3.64)
Рис. 3.21 |
В связи с ограмным сопротивлением таких повторителей особенно остро встает вопрос о цепи смещения базы: делать сопротивления делителя R1—R2 (рис. 3.20) порядка десятков Мом нельзя не только из-за температурной нестабильности, но главным образом из-за невозможности обеспечить нужный ток базы. В случае усилителей переменного тока наилучшим выходом из положения является использование отрицательной обратной связи в цепи базы (рис. 3.21). Сопротивление R3 выбирается сравнительно низкоомным (сотни килоом), способным обеспечить необходимый ток базы, а по отношению к переменным составляющим величина Rэ повышается в 1/(1-KU) раз за счет обратной связи с выхода повторителя. Оно может достигать десятков Мом и не будет шунтировать вход повторителя. Делитель R1—R2 в такой схеме может иметь любые разумные сопротивления.
3.7 Каскад с раздельной нагрузкой
Рис. 3.22 |
Каскад с раздельной нагрузкой, или фазоинверсный каскад, предназначен для получения двух выходных сигналов, имеющих сдвиг по фазе в 1800. Схема такого каскада приведена на рис. 3.22. Она получается из схемы ОЭ (рис. 3.7) при отключении конденсатора Сэ. Выходные сигналы снимаются с коллектора и эмиттера транзистора. Сигнал Uвых1, снимаемый с коллектора, находится в противофазе со входным сигналом Uвх, а сигнал Uвых2, снимаемый с эммитера, совпадает с ним по фазе. Диаграммы, приведенные на рис. 3.23, иллюстрируют получение обоих выходных сигналов.
Рассмотрим показатели каскада. Входное сопротивление рассчитывается по аналогии с каскадом ОК
Rвх=R1||R2||[rв+(1+b)(rэ+Rэ)] (3.65)
или (3.66)
для .
Коэффициент усиления по напряжению по первому выходу KU1 определяется по аналогии с каскадом ОЭ, а по второму выходу KU2 — по аналогии с каскадом ОК:
(3.67)
Рис. 3.23 |
или с учетом (3.65)
(3.68)
т.е. определяется отношением сопротивлений в цепи коллектора и эмиттера транзистора:
. (3.69)
3.8. Эквивалентные схемы полевых транзисторов
Полевой транзистор с р-n-переходом. Строгая эквивалентная схема полевого с управляемым p-n-переходом (ПТ) предполагает использование модели с распределенными параметрами. Это объясняется тем, что области затвора и канала предстваляют распределенную RC-цепь. Расчеты, связанные с такой моделью, получаются сложными, и поэтому в инженерной практике используют эквивалентную схему с сосредоточенными параметрами. Исходный вариант указанной схемы показан на рис. 3.24.
Рис. 3.24 |
Здесь S(w) — крутизна ПТ, зависящая от частоты; Сзи и Сзс, Rзи, Rзс — соответственно емкости и сопротивления обратно смещенного p-n-перехода; rс, ru обусловлены омическим сопротивлением областей стока и истока; rзи, rзс — омические сопротивления области затвора; rси — дифференциальное сопротивление канала (внутреннее сопротивление). Сопротивления Rзи, rзc имеют величины порядка 108...1010 Ом, и учитывать их целесообразно только при применении ПТ в схемах электрометрии. Влияние сопротивлений rзи, rзс незначительно вплоть до предельной частоты генерации Пт (их величина не превышает 10...20 Ом). Для современных Пт граничная частота крутизны превышает частоту генерации транзистора в 2,5 раз. Поэтому в типовом диапазоне использования ПТ зависимость крутизны от частоты может не учитываться. Анализ показывает, что влиянием сопротивления ru на усилительные и частотные свойства ПТ в рабочем диапазоне частот можно пренебречь. С учетом сделанных замечаний упрощенная схема ПТ показана на рис. 3.25.
Рис. 3.25 |
Она вполне пригодна для инженерных расчетов и получила наибольшее распространение у разработчиков аппаратуры. В данной схеме S — реальная крутизна ПТ, измеренная в статическом режиме.
МДП-транзистор. В одном из вариантов эквивалентной схемы МДП-транзистора (рис. 3.28) влияние подложки отражено генератором тока Sn(w)Uпи, где Uпи — напряжение подложка-исток; Sn(w) — крутизна по подложке.
Рис. 3.26
Для случая, когда подложка соединена с истоком, генератор Sn(w)Uпи из эквивалентной схемы исключается.
Области стока и истока отделены от подложки p-n-переходами, что на схеме рис. 3.26 отображено с помощью сопротивлений и емкостей Rпс, Cпс, Rпи, Спи. В типичных случаях емкости затвор-сток Сзс и затвор-исток Сзи меньше емкостей p-n-переходов Спс, Спи. Сопротивления Rзи, Rзс в эквивалентной схеме учитывают сопротивление диэлектрика в области затвора. Входное сопротивление прибора со стороны затвора не менее 1014 Ом, поэтому из схемы его можно исключить.
Рис. 3.27 |
Упрощенная эквивалентная схема МДП-транзистора с соединенной с истоком подложкой, используемая в типовых инженерных расчетах усилителей, показана на рис. 3.27. Крутизна по затвору в этой схеме предполагается на зависящей от частоты. В схеме отсутствует Rпс, которое во много раз больше сопротивления rси и его шкнтирующее действие пренебрежительно мало, она аналогична рис. 3.25.
3.9 Усилительные каскады на полевых транзисторах
Принцип построения усилительных каскадов на полевых транзисторах тот же, что и каскадов на биполярных транзисторах. Особенность заключается в том, что полевой транзистор управляется по входной цепи напряжением, а не током. По этой причине задание режима покоя в каскадах на полевых транзисторах осуществляется подачей во входную цепь каскада постоянного напряжения соответствующей величины и полярности.
Полевые транзисторы имеют три включения (см. рис. 2.1). В соответствии с названиями электродов различабт каскады с общим стоком (ОС), общим истоком (ОИ) и общим затвором (ОЗ). Каскад ОЗ обладает низким входным сопротивлением, в связи с чем он имеет ограниченное применение. Поэтому, ниже рассматриваются толко каскады ОИ и ОС. рассмотрение ведется только для транзисторов с каналом n-типа. С учетом изменения полярности напряжений питания его можно рассматривать и для усилительных каскадов на транзисторах с каналом p-типа.
Схема усилительного каскада ОИ приведена на рис. 3.28. Каскад выполнен на МДП- транзисторе со встроенным каналом n-типа. Работа транзистора возможна как в режиме обогаения, так и в режиме обеднения. Основными элементами каскада являются транзистор Т, резистор Rc и источник питания +Ес. Элементы Rз, R1, Rн предназначены для задания напряжения затвор-исток в режиме покоя Uзип. Резистор Rн создает в каскаде отрицательную обратную связь по постоянному току, служащую для стабилизации режима покоя при изменении температуры и разбросе параметров транзистора.
Рис. 3.28 |
Принцип выбора режима покоя тот же, что и для схемы на биполярном транзисторе, и показан на рис. 3.28. Для исключения возможных искажений усиливаемого сигнала параметры режима покоя должны удовлетворять следующим условиям:
; (3.70)
Iсп>Iсm. (3.71)
Точка покоя Р располагается на линии нагрузки, проходящей через две точки с координатами А(0, Ес) и Б(Ес/Rс, 0).
Ток стока покоя Iсп и напряжения сток-исток покоя Uсип связаны соотношением
(3.72)
и определяются напряжением затвор-исток Uзип точки покоя. Напряжение Uзип представляет собой параметр стоковой характеристики, проходящей через точку покоя Р (рис. 3.29).
Для рассматриваемого типа МДП-транзистора в режиме покоя напряжение на затворе может иметь как положительную, так и отрицательную полярность относительно истока или быть равным нулю.
Рассмотрим случай, когда Uзип<0. Такой режим обеспечивается только резисторами Rз и Rн, резистор R1 не нужен (см. рис. 3.28). Необходимые величины и полярность напряжения получаются на Rн в результате протекания через него тока Iип=Iсп. В связи с этим выбор резистора Rн производят как
Rн=Uзип/Iсп. (3.73)
Резистор R3 предназначен для обеспечения потенциала затвора равным потенциалу нижнего вывода резистора Rн, т.е. для подачи напряжения Uзип с резистора Rн между затвором и истоком транзистора. Rэ выбирают на несколько порядков меньше
Рис. 3.29
входного сопротивления транзистора. Это необходимо для исключения влияния температурной нестабильности и разброса значения входного сопротивления транзистора на величину входного сопротивления каскада. Эначения R3 принимают равным 1-2 мОм.
Резистор Rн создает также отрицательную обратную связь в каскаде, стабилизирующую положение точки каскада. С целью повышения стабильности Rн необходимо увеличить сверх значения, нужного для обеспечения напряжения Uзип. Требуемая при этом компенсация избыточного напряжения Uзип осуществляется подачей на затвор соответствующего напряжения Uзп путем включения в схему резистора R1. Из условия указанной компенсации получается соотношение, которое может быть использовано для расчета R1:
; (3.74)
. (3.75)
Величину Uип определяют с учетом выбора напряжения питания:
. (3.76)
Повышение напряжения Uип так же, как и в каскаде ОЭ напряжения Uэп, благополучно сказывается на стабильности точки покоя из-за увеличения сопротивления Rи, одноко при этом возрастает требуемое напряжение источника питания Ec. поэтому выбирают напряжение (0,1-0,3) Ес, и тогда
. (3.77)
При Uзип>0 обязательно включение резистора R1, а наличие Rн необходимо для стабилизации режима покоя. Выбор элементов производится с использованием соотношений (2.74)-(3.77). При этом в выражениях (3.74) и (3.76) следует соответственно либо положить напряжение Uзип равным нулю, либо изменить знак перед напряжением Uзип. Режим Uзип>0 является типичным для полевых транзисторов с индуцированным каналом.
При выборе типа транзистора учитывают максимальный ток стока Iс max, максимальное напряжение Uси max и максимальную рассеиваемую мощность в транзисторе Pс max (рис. 3.29).
Каскад ОИ, так же как и схема ОЭ на биполярном транзисторе, осуществляет поворот по фазе 1800 усиливаемого сигнала.
Определим основные показатели усилительного каскада. С этой целью воспользуемся его эквивалентной схемой, представленной на рис. 3.28 а. Схема построена с испольованием эквивалентной схемы МДП-транзистора (рис. 3.27). На схеме рис. 3.30 емкость Си не показана, так как считается достаточно большой и ее сопротивление по переменному току близко к нулю. Поэтому не показан и резистор Rn.
Выражение для коэффициента усиления каскада по напряжению для средних частот. когда сопротивления всех конденсаторов в схеме замещения еще достаточно велики, записывается в виде
(3.78)
или (3.79)
Рис. 3.30 |
Произведение Sri называют статическим коэффициентом усилителя полевого транзистора. С учетом Sri=m выражение (3.75) принимает вид . (3.80)
На основании выражения (3.80) возможен второй вариант построения схемы замещения каскада ОИ — с источником напряжения mUвх (рис. 3.30 б).
Если учесть, что Rc<<rc, то коэффициент усиления каскада по напряжению
. (3.81)
Входное сопротивление каскада ОИ определяется параллельно соединенными сопротивлениями R1, R3:
Rвх=R1||R3. (3.82)
Выходное сорпротивление каскада ОИ
. (3.83)
При работе в области высоких частот необходимо учитывать входную и выходную емкости каскада.
При расчете входной емкости должны быть учтены межэлектродные емкости Cзи, Сзо транзистора (рис. 3.30 а), а также емкость монтажа входной цепи См (емкость деталей и проводников входной цепи каскада). Указанные емкости создают на высоких частотах реактивные составляющие токов входной цепи, определяющие суммарный входной ток каскада
. (3.84)
Токи определяются входным напряжением каскада, а ток — напряжением сток-затвор. Так как напряжение на стоке находится в противофазе с входным напряжением, напряжение между затвором и стоком составит ??????
Тогда емкостный ток каскада
(3.85)
или , (3.86)
где Свх — входная емкость каскада,
. (3.87)
Например, при Сзи=10пФ, Сзс=2пФ, См=2пФ и KU=50 входная емкость составит 114 пФ, причем определяющим будет второе слагаемое в выражении (3.87).
Выходная емкость каскада зависит от межэлектродных емкостей Сси и Ссз, а также емкости монтажа выходной цепи. Рассчитывается выходная емкость аналогично входной емкости
. (3.88)
Усилительный каскад ОС (истоковый повторитель)
На рис. 3.31 а показана схема каскада с общим стоком, выполненная наполевом транзисторе со встроенным каналом, а его эквивалентная схема — на рис. 3.31 б.
Рис. 3.31
Элементы R1, R3 совместно с Rн используются для задания режима покоя транзистора.
Для истокового повторителя напряжение на нагрузке совпадает по фазе с входным напряжением и связано с ним соотношением
Uн=Uвх-Uзи (3.89)
Напряжение Uн в соответствии со схемой замещения транзистора (рис. 3.27) является функцией напряжения Uзи, действующего на входе транзистора:
(3.90)
или . (3.91)
Выражения (3.89) и (3.91) используем для определения коэффициента усиления каскада по напряжению
(3.92)
для ri>>Rн.
Коэффициент усиления KU зависит от крутизны транзистора и нагрузки каскада RU. С увеличеним S и Rн KU стремится к единице. В связи с этим для истокового повторителя целесообразно использовать транзисторы с повышенными значениями крутизны. С приближением KU к единице уменьшается влияние емкости затвор- исток на входную емкость каскада.
Схему замещения истокового повторителя часто представляют с источником напряжения в выходной цепи, подобно схеме рис. 3.30 б для каскада ОИ. Для нахождения эквивалентных параметров схемы замещения преобразуем выражение (3.90), заменив в нем S=m/ri и раскрыв ri||Rн=riRн/(ri+Rн).
. (3.93)
Поделив числитель и знаменатель правой части выражения (3.93) на 1+m и заменив KU=Uн/Uвх, находим
. (3.94)
На основании выражения (3.94) на рис. 3.31 б построена схема замещения каскада. В ее выходную цепь входит эквивалентный источник напряжения с эквивалентным внутренним сопротивлением ri/1+m. Входная цепь схемы замещения состоит из тех же элементов, что и схема замещения каскада ОИ.
По схеме замещения находим выходное сопротивление каскада ОС
. (3.95)
Величина Rвых в схеме ОС меньше, чем в схеме ОИ и составляет 100...3000 Ом.
Поскольку напряжение затвор-исток в схеме истокового повторителя равно разности Uвх-Uвых, собственный входной ток транзистора получается существенно меньшим, чем в схеме ОИ, и температурная нестабильность сопротивления участка затвор-исток проявляется слабее, что допускает применение более высокоомных резисторов R1, R3. А это обеспечивает существенно большее сопротивление Rвх, чем каскады ОИ.
Для истокового повторителя необходимо учитывать емкостные составляющие входного тока цепей затвор-сток и затвор-исток транзистора, а также тока емкости монтажа входной цепи каскада. Так как напряжение стока неизменное, составляющая тока емкости Сзс определяется, как и для емкости монтажа См, напряжением . Составляющая тока емкости Сзи зависит от напряжения . Суммарный емкостный входной ток
, (3.96)
откуда
. (3.97)
При Сзи=10пФ, Сзс=2пФ, См=2пФ и KU=0,85 емкость Свх=5,5 пФ против 114 пФ в схеме ОИ. соотношение (3.97) показывает целесообразность увеличения KU до единицы, так как при этом уменьшается влияние на входную емкость одной из самых значительных емкостей транзистора — Сзи.
<== предыдущая лекция | | | следующая лекция ==> |
Методы_нулевого_порядка_минимизации_функций_многих_переменных._Постановка_задачи._Описание_метод | | | Технологическое построение организационной системы КСЗИ |
Дата добавления: 2015-12-16; просмотров: 4581;