Громыко, А.И. Схемотехника аналоговых электронных устройств

6. СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВИДЫ КАСКАДОВ УСИЛЕНИЯ

6.4. Генераторы стабильного тока



Схемотехника аналоговых электронных устройств. Учеб. пособие

-121-

Рис. 6.15. Различные схемы реализации генераторов тока

Существует несколько видов ГСТ:

• «отражатели» тока (токовые зеркала), в которых ток, протекая в од-

ной ветви, точно воспроизводится в другой;

• источники ЭДС с большим внутренним сопротивлением, значитель-

но большим сопротивления нагрузки.

В качестве ГСТ может быть использована коллекторная цепь транзисто-

ра. Здесь большое выходное сопротивление и слабая зависимость

к

I

от

кэ

U

′

.

В зависимости от проводимости транзисторов ГСТ строятся по схемам

источников тока или потребителей тока (токоотводов), рис. 6.14

.

В интегральном исполнении обычно используются токоотводы, так как

параметры интегральных n–p–n-транзисторов лучше по сравнению с пара-

метрами p–n–p-транзисторов.

Рассмотрим варианты реализации ГСТ.

В данной схеме (рис. 6.14

):

к б э1

1

EU

I

R

′

−

=

,

1к1 б1 б2 1 б1 б1 б2

βIIII III=++= ++

.

E

I1

I

R1

VT2

Rэ

VT1

а

I

1

R

1

VT2

I

П

Е

R

э

VT1

I1

Iб2

Iк1

Iб1

Uбэ1

Iб2

Uбэ1,2

I'

I

R1

Rн

VT3

VT1

VT2

в

R

1

I

1

R

н

I

I'

VT2

VT3

VT1

I

к1

I

б1

I

б2

I

б'э1

I

б2

I

б'э1,2

E

I1

I

R1

VT1

Rдоп

Rэ

VT2

г

R

э

R

доп

VT1

VT2

I

1

Е

R

1

I

E

I1

I

R1

VT1

Rдоп

Rэ

VT2

I

1

R

1

Е

VT2

R

э

VT1

R

доп

I

б

6. СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВИДЫ КАСКАДОВ УСИЛЕНИЯ

6.4. Генераторы стабильного тока



Схемотехника аналоговых электронных устройств. Учеб. пособие

-122-

Ток в нагрузке (П)

к1 2 б2

βII I= =

.

Параметры транзисторов абсолютно одинаковы, поэтому

1б1 1 б2

2б2

(β 1)

1

β

II I

II

++

= ≅

.

Отсюда название «токовые зеркала»

δI =

3–5 %

вых

1R ≅

МОм.

В данной схеме отношение токов определяется отношением эмиттер-

ных площадей (переходов) и не превышает значений 1–5. Для стабилизации

токов

I

низкого уровня в цепь эмиттера вводят резистор (рис. 6.15, а).

Для схемы (рис. 6.15, а

):

Т1

э

ln

I

R

II

ϕ



=





,

э

R

– резистор ООС, увеличивает

вых

R

ГСТ.

Для того чтобы одновременно увеличить выходное сопротивление ГСТ и не

уменьшать ток

I

, в цепь VT1 включают дополнительное сопротивление

доп

R

(рис. 6.15, б

).

На рис. 6.15, в представлена схема ГСТ, в которой реализована ООС и

где ток

I

в нагрузке не зависит от параметров этой нагрузки.

В данной схеме:

1к1 б3

II I= +

к2 б1 б2 б3

II I I I==+−

Данные токи не зависят от

н

R

и определяются

б э1

U

′

,

б э2

U

′

,

б э3

U

′

.

Стабильность ГСТ также определяется стабильностью источника пита-

ния. Поэтому

пит

U

ГСТ берут от источника опорного

оп

U

(рис. 6.16, а, б).

Uоп

E

а

Е

U

оп

E

U1 U2

Rэ2

Rэ1

VD2

VD1

R1

б

R

1

Е

VD1

VD2

R

э1

R

э2

U

2

U

1

Рис. 6.16. Схемы стабилизации опорного напряжения

6. СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВИДЫ КАСКАДОВ УСИЛЕНИЯ



Схемотехника аналоговых электронных устройств. Учеб. пособие

-123-

В

ы

в

о

д

ы

1. Эмиттерный и истоковый повторители используются для увеличе-

ния входного и уменьшения выходного сопротивлений усилителя.

2. Каскад с общей базой по сравнению с каскадом с общим эмиттером

обладает пониженным значением входного сопротивления и повышенным –

выходного. Используется в каскодных схемах. В качестве отдельного усили-

тельного каскада используется редко.

3. Составные транзисторы применяются для улучшения усилительных

и частотных свойств как отдельных каскадов, так и усилителя в целом.

4. Генераторы стабильного тока являются элементами интегральной

схемотехники и по своим свойствам приближаются к идеальному источнику

тока (ток в нагрузке остается неизменным при любом изменении нагрузки).



Схемотехника аналоговых электронных устройств. Учеб. пособие

-124-

7

.

Ш

И

Р

О

К

О

П

О

Л

О

С

Н

Ы

Е

У

С

И

Л

И

Т

Е

Л

И

7

.

1

.

О

п

т

и

м

а

л

ь

н

а

я

к

о

р

е

к

ц

и

я

Для каждого усилительного элемента можно определить максималь-

ную площадь усиления

max 0в

П Kf=

.

Используя специальные виды каскадов (ОЭ-ОБ, ОЭ-КП), можно увели-

чить площадь усиления по сравнению с реостатным каскадом до 10 раз. Если

увеличения окажется недостаточно, то в схемы каскадов с хорошими частот-

ными свойствами вводят специальные элементы или цепи. Такие цепи назы-

вают «корректирующие». Введение в схему корректирующих цепей позволя-

ет расширить полосу пропускания в области НЧ (НЧ-коррекция) или в облас-

ти ВЧ (ВЧ-коррекция). При рассмотрении площади усиления можно опреде-

лить элементы, которые обеспечивают оптимальное (часто это максималь-

ное) значение площади усиления. Очевидно, в случае введения корректи-

рующих цепей или элементов, можно определить значения элементов, обес-

печивающих оптимальную АЧХ или ФЧХ.

Брауде предложил под оптимальной АЧХ считать, такую характери-

стику, которая при наибольшей

в

f

не имеет подъемов, т. е. является макси-

мально плоской. Математически это означает, что при разложении в ряд

функции, описывающей АЧХ, будем иметь максимальное число нулевых

производных. Выражение для относительного коэффициента усиления мож-

но представить в виде отношения полиномов:

2

.

01 2

2

01 2

ω ( ω) ... ( ω)

m

n

а jа j а j а

Y

b jb j b j b

+ + ++

=

+ + ++

,

или

.

11

22

(ω)

A jB M j

Y

A jB N j

+

= =

+

.

Коэффициенты

i

а

,

i

b

, входящие в выражение для относительного уси-

ления, определяются элементами схемы. Задавая вид АЧХ, можно опреде-

лить схемные элементы, формирующие эту АЧХ. Для универсальности мето-

да определения элементов схемы вводят нормировку.

1. Нормированная частота

в

ω

Ω=

,

7. ШИРОКОПОЛОСНЫЕ УСИЛИТЕЛИ

7.1. Оптимальная коррекция



Схемотехника аналоговых электронных устройств. Учеб. пособие

-125-

где

в

1

ω=

τ

.

2. Коэффициент усиления на частоте

ω0=

0

a

K

b

=

.

3. Переходят к модулю относительного усиления

.

(ω)

Mj

Y

Nj

=

,

где

22

11

(ω)Mj A B= +

;

22

(ω)Nj A B= +

.

В этих выражениях

1

A

и

2

A

содержат частоты

ω

, в четных степенях

1

B

и

2

B

– в нечетных. Для дальнейшего анализа Брауде рассматривал квадрат

относительного усиления

22

2

11

22

AB

Y

AB

+

=

+

.

В этой функции содержатся только четные степени.

Рассмотрим АЧХ в области ВЧ.

При стремлении

ω0→

,

2

1Y →

. В этом случае

00

ab=

. Если теперь

разложить выражение для

2

Y

в окрестности некоторой точки (или частоты)

в ряд, то получим:

'"

22

2

(0) (0)

( ) (0) ...

1! 2!

YY

Yx Y x x=++ +

Поскольку

2

(0) 1Y =

, в случае если приравнять к нулю производные, то

получим в окрестности частот

x

характеристику, совпадающую с характери-

стикой на нулевой частоте, т. е. не имеющую частотных искажений и являю-

щуюся максимально плоской. Приравнивая к нулю

n

производных получаем

систему из

n

уравнений, решение которых позволяет определить

n

незави-

симых параметров схемы, формирующих АЧХ. Брауде доказал, что для фор-

мирования такой АЧХ достаточно приравнять коэффициенты при одинако-

вых степенях

2

Ω

11

ab=

;

22

ab=

; …;

mm

ab=

7. ШИРОКОПОЛОСНЫЕ УСИЛИТЕЛИ

7.1. Оптимальная коррекция



Схемотехника аналоговых электронных устройств. Учеб. пособие

-126-

Так, для получения оптимальной АЧХ в выражениях:

2

1

2

1

а

Y

b

+Ω

=

+Ω

,

11

аb=

,

24

2

12

24

12

1

аа

Y

bb

+ Ω+ Ω

=

+ Ω+ Ω

,

11

аb=

;

22

аb=

.

7

.

2

.

П

р

о

с

т

а

я

п

а

р

а

л

е

л

ь

н

а

я

к

о

р

е

к

ц

и

я

Простую параллельную коррекцию применяют в схемах на полевых

транзисторах, а также в выходных каскадах на биполярных транзисторах, ра-

ботающих на высокоомную нагрузку. В противном случае малое

вх

R

шунти-

рует

L

контура (рис. 7.1).

На ВЧ в схеме с такой коррекцией образуется параллельный контур

(рис. 7.2

). За счет этого в области резонанса контура увеличивается сопро-

тивление нагрузки. Для данной цепи:

нд

2

нд

н

2

нд нд

2

нд нд

2

нд

1(ω)

ω

1ω ( ω)

1(ω)(ω)

L

j RC

CR

R jL

ZR

j RC j C L

L

j RC RC

CR



+



+



= =

++



+−





.

Тогда

нд

2

.

нд

н

2

нд нд

2

нд

1(ω)

1(ω)(ω)

L

j RC

CR

K SZ SR

L

j RC RC

CR



+





= =



+−





.

Lк

R3

Cp1

Cp2

R1 R2

Cp3

Rнд

Cнд

VT1

Рис. 7.1. Схема каскада

с параллельной коррекцией

L

к

R

3

R

1

R

2

С

р1

С

р3

С

р2

R

нд

С

нд

VT1

Рис. 7.2. Эквивалентная схема

цепи нагрузки при параллель-

ной коррекции

R

C

нд

L

7. ШИРОКОПОЛОСНЫЕ УСИЛИТЕЛИ

7.2. Простая параллельная коррекция



Схемотехника аналоговых электронных устройств. Учеб. пособие

-127-

Введем нормировку:

0

K SR= ⋅

;

нд

ωRСΩ=

;

2

нд

L

k

CR

=

,

k

– коэффициент коррекции, равный

2

Q

.

Тогда

2

0

1

K jk

Y

K jk

+Ω

= =

+ Ω−Ω



,

22

2

2 24

1

1(12)

k

Y

kk

ς

ςς

+

=

+− +

.

По Брауде

2

12kk= −

;

0,414k =

.

Тогда выражение для оптимальной АЧХ по Брауде:

2

22

1 0,171

1 0,171 (1 )

Y

ς

ςς

+

=

++

.

Обычно при расчетах

опт

0,8 0,9

k

= −

.

Это условие вводится для того, чтобы при смене транзистора сохранить

характеристику АЧХ. Выигрыш в пло-

щади усиления при использовании

коррекции.

к

П

1,72

П

γ

= =

при отсчете

по уровню 0,707 и

2

кор н н

L kC R=

.

Для ФЧХ по методу Брауде:

2

2 2 22

13

1 (1 )

kk

−+ Ω

ϕ=

+Ω − + Ω



опт

0,322k =

.

Рис. 7.3. АЧХ усилителя

при различных значения

коэффициента коррекции

Y



7. ШИРОКОПОЛОСНЫЕ УСИЛИТЕЛИ



Схемотехника аналоговых электронных устройств. Учеб. пособие

-128-

7

.

3

.

Э

м

и

т

е

р

н

а

я

к

о

р

е

к

ц

и

я

Эмиттерная коррекция (ЭК) – основной вид коррекции в транзистор-

ных усилителях (рис. 7.4

, 7.5).

ЭК позволяет:

1. Стабилизировать коэффициент усиления за счет ООС по току (

э

R

).

2. Повысить входное сопротивление (добавляется

э

(β 1)R +

, что

уменьшает габариты разделительного конденсатора на входе, блокировочных

конденсаторов в эмиттере и улучшает согласование с источником сигнала.

3. Получить выигрыш в площади усиления (соизмерим с выигрышем

при параллельной коррекции).

Рис. 7.4. Принципиальные схемы ЭК

Простейшая цепь коррекции отличается от цепи эмиттерного автосме-

щения только величинами

э

R

и

кор

С

. Емкость конденсатора берут такой, что-

бы его влияние сказывалось только в области частот, где необходимо осуще-

ствить коррекцию АЧХ. Влияние емкости

кор

С

показано на рис. 7.5.

Анализ влияния эмиттерной коррекции на частотные характеристики

коэффициента передачи для схем, представленных на рис. 7.4

, можно прово-

дить двумя способами. При анализе эмиттерной коррекции удобно рассмат-

ривать каскад с ОЭ с частотнозависимой ООС:

вх н

(ω) ( ω) ( ω)Kj K j K j= ⋅

э

β ( ω)Kj=

,

э

β ( ω) ( ω)K Kj K j= ⋅

,

где

вх0

вх

в

(ω)

1ωτ

Kj

j

=

+

;

н0

н

(ω)

1ωτ

Kj

j

=

+

;

0э

э

(ω)

1ωτ

Kj

j

=

+

.

R~

Rд

Сбл1

Скор

VT1

а

VT1

R

д

С

кор

R∼

С

бл1

Rэ0

R'~

Cбл2

Cкор

VT1

б

VT1

R'

∼

С

кор

С

бл2

R

э0

Рис. 7.5. АЧХ усилителя

в области НЧ при различных

значениях С

кор

С

кор

= 0

С

кор

= ∞

0

f

К

0

К > 4,14

7. ШИРОКОПОЛОСНЫЕ УСИЛИТЕЛИ



Схемотехника аналоговых электронных устройств. Учеб. пособие

-129-

7

.

4

.

Н

Ч

-

к

о

р

е

к

ц

и

я

Выше отмечалось, что развязывающий фильтр по питанию в цепи кол-

лектора (рис. 7.6

) может выполнять роль элемента НЧ-коррекции. Рассмот-

рим принцип работы этой коррекции.

С понижением частоты сопротивление

ф

C

увеличивается, следователь-

но, уменьшается степень шунтирования сопротивления

ф

R

сопротивлением

конденсатора

ф

C

. Это приводит к росту суммарного сопротивления нагрузки

каскада по переменному току

н

R



и, следовательно, к росту коэффициента

усиления. Так, на средних частотах

нк

RR=



, а на частотах

0f →

;

н кф

()R RR→+



.

Характеристики АЧХ получаются следующими (рис. 7.7

).

Усиление на НЧ падает из-за наличия разделительных и блокировоч-

ных конденсаторов. При этом можно выбрать

ф

C

таким образом, чтобы

скомпенсировать влияние на коэффициент усиления

р

C

и

бл

C

.

Эквивалентная схема выходной цепи представлена на рис. 7.8.

Пусть

нд к ф

()R RR>> +

;

ф фф

τ СR= ⋅

;

р р нд

τ СR= ⋅

,

тогда

ф

к р нд

фф

р нд

ω

1ω

R

R j CR

j CR

KS

j CR



+⋅



+



=

+

,

( )

2

ф

422

р фр

к

2

2 2 2 422

р ф фр

1ωτ ω τ τ

1ω τ τ ωττ

R

Y



+⋅ +





=

+ ++

.

Рис. 7.6. Цепь кол-

лектора с фильтром

R

ф

, С

ф

R

ф

R

к

С

ф

С

р

R

н

VT1

Рис. 7.7. АЧХ в области

НЧ при различных

значениях С

ф

С

ф

<

С

ф

= ∞

1

0

|Y|

опт

ф

С

опт

ф

С

7. ШИРОКОПОЛОСНЫЕ УСИЛИТЕЛИ

7.4. НЧ-коррекция



Схемотехника аналоговых электронных устройств. Учеб. пособие

-130-

Приравнивая коэффициенты при

2

ω

, полу-

чим условие максимально гладкой АЧХ

в области НЧ:

2

ф

2 22

р рф

к

τ1 ττ

R



⋅+ =+





,

2

ф

фр

к

ττ 1 1

R



=⋅+ −





,

2

э

246

123

1ωτ

1ωωω

Y

bbb

+

=

+++

.

Для определения элементов коррекции, обеспечивающих оптимальную

АЧХ, необходимо приравнять

э1

τ b=

, отсюда получаются элементы коррек-

ции с учетом

н

τ

,

вх

τ

.

В

ы

в

о

д

ы

1. Для построения широкополосных усилителей используют специ-

альные типы каскадов (ОЭ-ОБ, ОЭ-КП) с коррекцией, которые позволяют на

порядок увеличить площадь усиления по сравнению с простым реостатным

каскадом.

2. Специальные типы каскадов с коррекцией позволяют увеличить по-

лосу пропускания в области НЧ или ВЧ. В соответствии с этим коррекцию

подразделяют на НЧ и ВЧ, на простую и сложную. В основном используется

простая параллельная коррекция.

3. При простой параллельной коррекции в выходную цепь усилитель-

ного каскада включают индуктивность. Индуктивность совместно с емко-

стью нагрузки образует параллельный колебательный контур, что приводит к

росту сопротивления нагрузки и подъему АЧХ в области верхних частот.

Простая параллельная коррекция индуктивностью используется в ламповых

каскадах и каскадах на полевых транзисторах.

Основной вид коррекции в усилительных каскадах на транзисторах –

коррекция эмиттерной противосвязью. Выигрыш в площади усиления при-

мерно такой же, как и в случае простой параллельной коррекции.

Rк

Rф

Rнд

Cp

Cф

S*Uвх

Рис. 7.8. Эквивалентная

схема

С

р

R

ф

C

ф

R

к

R

нд

S

·

U

вх

Громыко, А.И. Схемотехника аналоговых электронных устройств

Подождите немного. Документ загружается.