Громыко, А.И. Схемотехника аналоговых электронных устройств

5. РЕОСТАТНЫЙ КАСКАД

5.4. Влияние элементов цепи автосмещения  и  на характеристики реостатного каскада



Схемотехника аналоговых электронных устройств. Учеб. пособие

-111-

Общий вид нормированной АЧХ для относительного коэффициента

усиления при изменении R

э

и С

э0

показан на рис. 5.28.

Поскольку

э

С

влияет на

н

f

, т. е. на М

н

, то величину

э

С

выбирают ис-

ходя из допустимого значения М

н

.

( )

(

)

э0

2

бб бэ н н

β1

.

2πМ1

r

С

Rr r f

′′

+

≥

++ −

В

ы

в

о

д

ы

1. Наиболее широко реостатный каскад используется в качестве про-

межуточного каскада.

2. Основное требование к реостатному каскаду: обеспечить требуемые

значения

,

ui

КК

и допустимый уровень частотных искажений.

3. При расчетах реостатного каскада используются упрощенные экви-

валентные схемы первого порядка.



Схемотехника аналоговых электронных устройств. Учеб. пособие

-112-

6

.

С

П

Е

Ц

И

А

Л

Ь

Н

Ы

Е

В

И

Д

Ы

К

А

С

К

А

Д

О

В

У

С

И

Л

Е

Н

И

Я

6

.

1

.

Э

м

и

т

е

р

н

ы

й

и

с

т

о

к

о

в

ы

й

п

о

в

т

о

р

и

т

е

л

и

Реостатный каскад, усилительный элемент которого включен по схеме

ОК, называется эмиттерным повторителем (ЭП). ЭП можно рассматривать

как обычный каскад с ОЭ, охваченный 100 % ООС. Связь в каскаде последо-

вательная по напряжению. Используется ЭП обычно в следующих случаях:

1. Во входных каскадах при необходимости обеспечить входное со-

противление 5–10 кОм. При

âõ

R >

5–10 кОм необходимо нейтрализовать влия-

ние сопротивлений базового делителя. При уровнях

вх

R

> 100 кОм используют

сложные повторители с динамической нагрузкой или истоковые повторители.

2. В выходных каскадах усилителей мощности.

3. В качестве каскада согласования высокоомного источника и низко-

омной нагрузки.

Схема электрическая принципиальная простейшего ЭП приведена на

рис. 6.1.

Если через нагрузку повторителя допускается протекание постоянной

составляющей тока, то

нд

R

может быть включено непосредственно в цепи

эмиттера вместо R

э

.

Входное сопротивление ЭП выше, а величина входной емкости и вы-

ходного сопротивления ниже, чем у каскада с ОЭ.

К особенности ЭП можно отнести то, что

вых вх

UU≈

и фаза выходного

сигнала совпадает с фазой входного, т. е. сигнал на выходе повторяет сигнал

на входе.

Частотные свойства ЭП также значительно лучше, чем у каскада с ОЭ.

Так при глубокой ООС:

ист нагр

0,RR→ →∞

− верхняя граничная частота кас-

када стремится к верхней граничной частоте транзистора

Т

f

. Представим ЭП

в виде каскада с ОЭ, схваченным обратной связью.

Рис. 6.1. Схема электрическая

принципиальная усилительного

каскада с ОК

С

р1

Е

к

С

р2

R

нд

R

э

R

б2

R

б1

С

нд

Рис. 6.2. Представление каскада

с ОК в виде каскада с ОЭ

со 100 % ООС

R

г

R

н

Е

(+)

(–)

(+)

6. СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВИДЫ КАСКАДОВ УСИЛЕНИЯ

6.1. Эмиттерный и истоковый повторители



Схемотехника аналоговых электронных устройств. Учеб. пособие

-113-

В общем виде с учетом ОС для ЭП можно записать:

ОС

1β

u

К

=

+

;

ОСui

КК=

( )

вых

вх вх вых

1β; .

1β

Z

ZZКZ

К

= + =

+

1. Определим коэффициент усиления каскада без учета обратной связи:

( )

н

бб бэ

β1 .

u

R

К

rr

′′

= +

+

(6.1)

Из выражения (6.1) видим, что

u

K

совпадает с коэффициентом усиле-

ния реостатного каскада.

Учитывая, что при глубокой 100 % обратной связи

β1=

, находим вы-

ражение для определения глубины обратной связи:

( )

н бб бэ н

бб бэ бб бэ

β1 β1

1β1 ,

RrrR

К

rr rr

′′

′′ ′′

+ ++ +

+=+ =

++

и для коэффициента усиления:

( )

н

ОС

бб бэ н

β1

,

β1

u

R

К

rr R

′′

+

=

+ ++

т. е.

ОС

1.

u

К <

2. Входное сопротивление без обратной связи:

вх бб бэ

.Rrr

′′

= +

С учетом

обратной связи:

( ) ( )

вх ОС вх б б б э н

1β β 1.ZZК rrR

′′

= + =++ +

В большинстве случаев можно считать, что

( )

вх ОС н

β1 ,RR

≅+

где

сл

н эвх энд

|| ; ||R RR RR=

.

Или в комплексной форме записи:

( )

вх ОС н

β1 .ZZ

= +



3. Выходное сопротивление эмиттерного повторителя определяется как

внутреннее сопротивление эквивалентного генератора:

6. СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВИДЫ КАСКАДОВ УСИЛЕНИЯ

6.1. Эмиттерный и истоковый повторители



Схемотехника аналоговых электронных устройств. Учеб. пособие

-114-

( )

бб бэ

вых

.

β1

r

Rr r

Z

′′

++

=

+

Последние выражения для

вх ОС

Z



и

вых ОС

Z



позволяют заметить, что

вх

Z



определяется

н

R

, а

вых

Z



–

r

R

, т. е. повторитель можно рассматривать как

трансформатор сопротивлений.

Поскольку верхняя граничная частота повторителя определяется внеш-

ними цепями, то для оценки частотных свойств воспользуемся эквивалент-

ной схемой рис. 6.3.

Для области НЧ:

( )

н р нд вых э

τ || ;СR R R= +

для области ВЧ:

( )

в нд вых э нд

τ || || .С R RR=

Анализ каскада повторителя показывает, что входное сопротивление

определяется не только сопротивлением нагрузки, но и сопротивлением

б б1 б2

||RRR=

. Для повышения

вх

R

в 2–3 раза используют следующие меры:

1. Уменьшают ток коллектора, при этом возрастают сопротивления

э

R

(входит в выражение для

н

R

) и

б

R

;

2. Применяют гальваническую связь ЭП со следующим каскадом, в

этом случае исключается из схемы

б сл

R

следующего каскада. В результате

увеличивается входное сопротивление

вх сл

R

.

Для повышения уровня

вх

R

до десятков кОм используют сложные по-

вторители (рис. 6.4

). В этой схеме транзистор шунтируется не

б1 б2

||RR

,

а сопротивлением

б3

R

.

Рис. 6.3. Эквивалентная схема

усилительного каскада с ОК

Е

С

р

R

э

R

нд

С

нд

R

вых

Рис. 6.4. Схема каскада с ОК

и компенсацией влияния

базового делителя

R

б1

С

р1

С

нд

С

р1

С

бл

R

б2

R

б3

R

э

R

нд

6. СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВИДЫ КАСКАДОВ УСИЛЕНИЯ

6.1. Эмиттерный и истоковый повторители



Схемотехника аналоговых электронных устройств. Учеб. пособие

-115-

Сигнал обратной связи подается на базу через последовательно соеди-

ненные

б3

R

и

бл

С

, что снижает влияние действия

б1 б2

||RR

и увеличивает

входное сопротивление.

Еще одна возможная схема сложного повторителя представлена на

рис. 6.5.

В данной схеме на

2VT

реализован генератор стабильного тока, что

эквивалентно увеличению сопротивления

э

R

до уровня

бк 2VT

r

′

, включение на

выходе дополнительного ЭП на

4VT

увеличивает

вх сл

R

, динамическая на-

грузка на

3VT

нейтрализует влияние

бк 1VT

r

′

, что улучшает частотные свойства

каскада на

1VT

и также способствует увеличению

вх

R

. Данная схема позво-

ляет получить

вх

R



100 кОм, а в области низких частот

вх

R



единицы кОм.

Следует отметить склонность ЭП к самовозбуждению из-за условия баланса

фаз и амплитуд, особенно в области ВЧ.

Еще большие значения

вх

R

позволяет полу-

чить истоковый повторитель (ИП). Простейшая

схема ИП имеет вид, представленный на рис. 6.6.

С учетом

э

1

i

S

R

=

+

Рис. 6.6. Истоковый повто-

ритель (каскад с ОИ)

Е

п

С

р

R

нд

С

нд

R

и

R

з

Рис. 6.5. Схема эмиттерного повторителя

с высоким входным сопротивлением

6. СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВИДЫ КАСКАДОВ УСИЛЕНИЯ

6.1. Эмиттерный и истоковый повторители



Схемотехника аналоговых электронных устройств. Учеб. пособие

-116-

определим

u

K

:

эн

ОС

эн

0,7 0,9.

1

u

SZ

K

SZ

= = −

+

тогда

( )

вх ОС зс зи

1;

u

С СС К

=+−

вых

1

.R

S

=

Следует отметить, что

вых ИП вых ЭП

RR

>

;

ИП ЭП

.

uu

КК<

Входное сопротивление каскада определяется сопротивлением

l

цепи

затвора

3

R

. Для расширения динамического диапазона следует

c

:0R =

;

п

и

.

2

Е

U =

Для повышения входного сопротивления используют те же приемы,

что и в каскадах ЭП.

6

.

2

.

К

а

с

к

а

д

с

о

б

щ

е

й

б

а

з

о

й

и

о

б

щ

и

м

з

а

т

в

о

р

о

м

По аналогии с каскадом с ОК каскад с ОБ можно рассматривать как

каскад с ОЭ, охваченный 100 % параллельной обратной связью по току

рис. 6.7

. Каскад с ОБ называют повторителем тока. Простейшая схема каска-

да с ОБ имеет вид, представленный на рис. 6.8.

Для заданного вида связи

можно записать:

ОС иu

КК

=

;

ОС

;

1

i

ii

К

КB

=

+⋅

( )

вх

вх ОС вых ОС вых

; 1.

1

ii

Z

Z ZZКB

КB

= = +⋅

+⋅

Рис. 6.7. Представление каскада

с ОБ в виде каскада с ОЭ

со 100 % ООС

R

г

Е

R

н

Рис. 6.8. Электрическая

принципиальная схема

каскада с ОБ

Е

к

С

р2

С

р1

R

б1

R

б2

R

э

С

бл

R

к

6. СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВИДЫ КАСКАДОВ УСИЛЕНИЯ

6.2. Каскад с общей базой и общим затвором



Схемотехника аналоговых электронных устройств. Учеб. пособие

-117-

Определим петлевое усиление, имея в виду, что

1

i

B =

:

вх вх вх

н вх н

,

u

ii u

UКR R

КB К

RU R

⋅

⋅= ⋅ = ⋅

тогда

( )

н

ОС

вх

β1 ;

u

R

К

R

= +

вх вх вых вх

ОС

н вх вх н вых вх

вх

н

1

.

1

β

uu

i

u

КR КR U R

К

RКR U R U R

R

RК

R

⋅⋅ ⋅

= = = =

+⋅ ⋅+ ⋅



+





ОС

β

.

β1

i

К

=

+

бэ

Т

1τ

τ.

2

πβ

f

′

= =

Для входного сопротивления:

вх вх вх вх ОЭ

вх ОС

вх вых

н вх

;

1+β1

1+ 1

ii

u

Z Z ZZ

Z

RI

КB

К

RI

= = = =

⋅+

+

для полевого транзистора:

нu

К SR= ⋅

;

ОС

1

i

К

=

;

вх

1

.Z

S

=

Иногда каскады ОБ используют в качестве входных при работе от низ-

коомного источника, но чаще в составе специализированных каскадов.

6

.

3

.

К

а

с

к

о

д

н

а

я

с

х

е

м

а

.

С

о

с

т

а

в

н

ы

е

т

р

а

н

з

и

с

т

о

р

ы

Каскодная схема (секция ОЭ-ОБ) относится к схемам составных тран-

зисторов, в которой первый транзистор включен по схеме с ОЭ, а второй – по

схеме с ОБ.

Достоинства схемы.

1. Слабое влияние емкостей коллекторного перехода на работу каска-

да, так как первый транзистор нагружен на низкоомное сопротивление кас-

када с ОБ (

≅

в β раз меньше, чем в схеме с ОЭ). Вследствие этого в данной

схеме входное сопротивление

вх

R

практически не зависит от сопротивления

нагрузки

Н

R

.

6. СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВИДЫ КАСКАДОВ УСИЛЕНИЯ

6.3. Каскодная схема. Составные транзисторы



Схемотехника аналоговых электронных устройств. Учеб. пособие

-118-

2. Частотные свойства секции

значительно лучше, по сравнению с

каскадами ОЭ. Так, при оптимальных

условиях работы площадь секции

может на порядок превышать пло-

щадь усиления каскада ОЭ.

3. В данной секции значительно

меньше уровень нелинейных искаже-

ний.

Данная секция может использо-

ваться в выходных каскадах для по-

лучения высокого напряжения на на-

грузки. Так, транзистор VT2 (ОБ) мо-

жет быть относительно низкочастот-

ным и высоковольтным, а транзистор

VT1 (ОЭ) наоборот.

Рассмотрим усилительные и

частотные свойства секции.

2

12

вх ОБ

нд

12

вх ОЭ вх ОЭ

(β 1) (β 1) ,

R

K

RR

=++

2

вх ОЭ

вх ОБ

2

β1

R

R =

+

.

Тогда

2

12

вх ОЭ

2нд

1

вх ОЭ 2 вх ОЭ

(β 1)

R

K

RR

+

= +

+

,

1

нд

1

вх ОЭ

(β 1)

R

K

R

= +

.

Частотные свойства секции определяются тремя постоянными времени:

1) каскада на транзисторе VT1 (ОЭ)

Г б'б

1б'э

Г б'б б'э

ττ

Rr

Rr r

+

=

++

;

2) каскада на транзисторе VT2 (ОБ)

Рис. 6.9. Каскодное

соединение транзисторов

(секция ОЭ-ОБ)

R

к

VT2

VT1

(ОЭ)

(ОБ)

Рис. 6.10. Принципиальная

электрическая схема каскодного

усилителя (секция ОЭ-ОБ)

R

к

R

б1

С

р2

R

б2

С

р1

Е

к

R

нд

С

нд

R

б3

R

э0

С

бл

С

э0

VT1

VT2

6. СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВИДЫ КАСКАДОВ УСИЛЕНИЯ

6.3. Каскодная схема. Составные транзисторы



Схемотехника аналоговых электронных устройств. Учеб. пособие

-119-

2

1

τ

2πf

Τ

=

;

3) постоянной времени цепи нагрузки

н нд нд н б'к2

τ( )RС СС= ++

.

Реально, необходимо учитывать постоянные времени каскада на VT1 и

цепи нагрузки. Суммарная постоянная времени определяется как:

22

12

τ τ +τ=

.

Хорошие частотные свойства сохраняются и при работе на низкоом-

ную нагрузку. Усилительные свойства секции, как уже отмечалось, такие же

как и в ОЭ, но

вых

U

можно получить больше. Входные сопротивления секции

определяются входным сопротивлением первого каскада (ОЭ).

Коэффициент передачи тока:

12

2

ββ

β

(β +1)

⋅

=

.

Рассмотрим другие разновидности схем на составных (композитных)

транзисторах (рис. 6.11

, 6.12).

R

б

R

э

R

э

R

б

R

б

R

э

Э

Б

К

Рис. 6.11. Схемы составных транзисторов

Рис. 6.12. Составной

транзистор ОК-ОК

(схема Дарлингтона)

Э

К

Б

6. СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВИДЫ КАСКАДОВ УСИЛЕНИЯ

6.3. Каскодная схема. Составные транзисторы



Схемотехника аналоговых электронных устройств. Учеб. пособие

-120-

Под составным транзистором

понимают комбинацию из двух кас-

кадно включенных элементов при

непосредственной (гальванической)

связи между ними. Отметим (без

анализа), что введение резисторов

(рис. 6.11

) заметно снижает усили-

тельные свойства, уменьшает вход-

ное сопротивление (

б

R

шунтирует

вход), но позволяет существенно

улучшить частотные свойства, а

значит, уменьшить время установ-

ления при работе в импульсном ре-

жиме. Рассмотрим схемы составных

транзисторов:

1. Секции ОК-ОК. Известная

как схема Дарлингтона или сдвоенный коллекторный повторитель (рис. 6.12

).

По сравнению с каскадом с ОК данная схема отличается более высоким

входным сопротивлением и коэффициентом передачи по току.

вх вх1 1 вх2

(β 1)RR R= ++

,

11 2

β β (β 1)β=++

.

2. Секции ОЭ-ОК (рис. 6.13). По сравнению с обычным каскадом в

схеме с ОЭ данная секция не вносит фазового сдвига: входное сопротивление

выше, а выходное – ниже по сравнению с одиночным транзистором в схеме

ОЭ, зато коэффициент усиления по току

12

β β (β 1)= +

.

6

.

4

.

Г

е

н

е

р

а

т

о

р

ы

с

т

а

б

и

л

ь

н

о

г

о

т

о

к

а

Генераторы стабильного тока (ГСТ) пред-

ставляют собой нелинейный эквивалент высокоом-

ного сопротивления и по своим свойствам прибли-

жаются к идеальному источнику тока. В идеале

ГСТ должны обеспечивать постоянство выходного

тока даже при коротком замыкании цепи нагрузки.

Рис. 6.14. Схема генера-

тора стабильного тока

П

Е

I

1

R

1

VT1

VT2

I

б1

I

б2

Рис. 6.13. Схемы составных

транзисторов ОЭ-ОК

Б

К

Б

Э

Б

К

Громыко, А.И. Схемотехника аналоговых электронных устройств

Подождите немного. Документ загружается.