Громыко, А.И. Схемотехника аналоговых электронных устройств
Подождите немного. Документ загружается.
3. ДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ УСИЛИТЕЛЕЙ
3.10. Основные соотношения параметров в схеме с ОЭ
Схемотехника аналоговых электронных устройств. Учеб. пособие
-71-
чисто активным, усиление схемы максимально.
При стремлении
f →∞
сказывается емкость
0
C
, которая шунтирует
сопротивление
бэ
r
′
. Входное сопротивление снижается до уровня
áá
r
′
. При
этом, чем больше сопротивление
н
R
, тем сильнее влияние
0
C
на сопротивле-
ние
бэ
r
′
, тогда:
П
в
0бэ
1
2π
f
Cr
′
=
– верхняя частота по
21
h
. При
21
0бэ
τ
h
Cr
′
=
:
0
бб бэ
0
бб бэ
в
1
2π
f
rr
C
rr
′′
′′
=
+
– верхняя частота по параметру
21
y
.
2. Сквозной коэффициент усиления:
б э вых
вх н
бэ
Е
UU
K KK
ЕU
′
′
= =
,
бэ бэ
вх б э
Г бб бэ 0 бэ
1ω
Zr
KZ
R r Z j Cr
′′
′
′′ ′
= = =
++ +
,
вых б э н
нн
бэ бэ
U SU R
K SR
UU
′
′′
= = =
.
На частоте
0f =
сквозной коэффициент усиления максимален:
бэ н
н
Г бб бэ бэ Г бб бэ
β1 (β1)
(0)
Е
rR
K SR S
Rr r r Rr r
′
′′ ′ ′′
++
= = = =
++ ++
.
С ростом частоты сказывается влияние
0
C
, общее выражение для
(ω)
Е
Kj
можно записать в виде
н
Г бб бэ в
(β 1) 1
(ω)
1ωτ
Е
R
Kj
Rr r j
′′
+
=
++ +
,
где
3. ДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ УСИЛИТЕЛЕЙ
3.10. Основные соотношения параметров в схеме с ОЭ
Схемотехника аналоговых электронных устройств. Учеб. пособие
-72-
бэ Г бб
в0
Г бб бэ
()
τ
rR r
С
Rr r
′′
′′
+
=
++
.
При
Г
0R =
коэффициент усиления по напряжению
н
бб бэ
в
(β 1) 1
(ω)
1ωτ
и
u
R
Kj
rr j
′′
+
=
++
,
где
бэ бб
0
бб бэ
в
τ
u
rr
С
rr
′′
′′
+
=
+
.
3. Выходное сопротивление.
Для определения
вых
Z
используется теорема об эквивалентном генера-
торе:
1
Г бб
вых б к
Г бб бэ
1β
Rr
ZZ
Rr r
−
′
′
′′
+
= +
++
.
3
3
.
.
1
1
1
1
.
.
П
П
о
о
л
л
е
е
в
в
о
о
й
й
т
т
р
р
а
а
н
н
з
з
и
и
с
с
т
т
о
о
р
р
в
в
с
с
х
х
е
е
м
м
е
е
с
с
о
о
б
б
щ
щ
и
и
м
м
и
и
с
с
т
т
о
о
к
к
о
о
м
м
Так как входное сопротивление полевых транзисторов (ПТ) достаточно
велико, то они управляются напряжением, а не током, в отличие от биполяр-
ного транзистора. Наиболее широкое применение по-
лучила схема с общим истоком (ОИ). Исток (аналог
эмиттера) является общим электродом для входной и
выходной цепей, затвор (аналог базы) – входной элек-
трод, сток (аналог коллектора) – выходной электрод.
Схема с ОИ поворачивает фазу сигнала в нагрузке на
180° аналогично схеме включения БТ с общим эмитте-
ром. На рис. 3.14
изображена схема ПТ с управляемым
р–n-переходом n-типа.
Рис. 3.14. Условное
обозначение на схемах
полевого транзистора
3. ДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ УСИЛИТЕЛЕЙ
Схемотехника аналоговых электронных устройств. Учеб. пособие
-73-
3
3
.
.
1
1
2
2
.
.
Э
Э
к
к
в
в
и
и
в
в
а
а
л
л
е
е
н
н
т
т
н
н
а
а
я
я
с
с
х
х
е
е
м
м
а
а
п
п
о
о
л
л
е
е
в
в
о
о
г
г
о
о
т
т
р
р
а
а
н
н
з
з
и
и
с
с
т
т
о
о
р
р
а
а
Общая эквивалентная схема имеет вид, представленный на рис. 3.15.
В полевых транзисторах
зи
C
от 1–20 пФ,
зс
C
от 1–10 пФ.
Обычно
си зи
CC<
.
По структуре данная схема совпадает с эквивалентной схемой бипо-
лярного транзистора. Однако здесь нет сопротивления, аналогичного
бб
r
′
.
Входное сопротивление определяется сопротивлением
зи
r
. Выходное сопро-
тивление определяется величиной
си
r
(десятки кОм).
3
3
.
.
1
1
3
3
.
.
О
О
п
п
р
р
е
е
д
д
е
е
л
л
е
е
н
н
и
и
е
е
п
п
а
а
р
р
а
а
м
м
е
е
т
т
р
р
о
о
в
в
э
э
к
к
в
в
и
и
в
в
а
а
л
л
е
е
н
н
т
т
н
н
о
о
й
й
с
с
х
х
е
е
м
м
ы
ы
1. Пересчет емкостей
зи
С
,
зс
С
к рабочему режиму:
спр
изм
раб
зи
зи
зи
зи
2
С
U
С
U
=
,
спр
изм
раб
зс
зс
зи
зс
2
С
U
С
U
=
.
2. Расчет типовой крутизны по значению начальной крутизны
0
S
:
0
с
0
с
I
SS
I
=
,
Рис. 3.15. Обобщенная эквивалентная схема полевого транзистора
R
г
SU
зи
r
зи
(И)
(З)
(И)
(С)
r
си
С
си
С
зи
С
зс
R
н
3. ДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ УСИЛИТЕЛЕЙ
3.13. Определение параметров эквивалентной схемы
Схемотехника аналоговых электронных устройств. Учеб. пособие
-74-
где
0
с
I
– начальный ток стока.
3.
спр
си
1,6
i
rR=
.
В отличие от биполярного транзистора, в схемах на ПТ зависимость
крутизны
S
от частоты можно не учитывать до сотен МГц.
3
3
.
.
1
1
4
4
.
.
О
О
с
с
н
н
о
о
в
в
н
н
ы
ы
е
е
с
с
о
о
о
о
т
т
н
н
о
о
ш
ш
е
е
н
н
и
и
я
я
п
п
а
а
р
р
а
а
м
м
е
е
т
т
р
р
о
о
в
в
в
в
с
с
х
х
е
е
м
м
е
е
с
с
о
о
б
б
щ
щ
и
и
м
м
и
и
с
с
т
т
о
о
к
к
о
о
м
м
Преобразуем схему (рис. 3.15
), пересчитав емкость
зс
C
во входную и
выходную цепи. После преобразования схема приобретает вид
н си
зс
н си
1
SR r
СC
Rr
′
= +
+
;
зс
СC
′′
≅
.
Поскольку величины
зс
C
,
С
′
соизмеримы с емкостью монтажа
( )
3 5 пФ−
, при расчетах
0
C
необходимо учитывать эту емкость
н си
0м зс зи
н си
1
Rr
ССC S C
Rr
=++ +
+
.
Определим основные параметры:
1. Входное сопротивление и входная емкость:
вх зи
Rr=
,
( )
вх зи зс н м
1С С C SR C
=+++
(если
н си
Rr<
),
Рис. 3.16. Эквивалентная схема полевого транзистора
после преобразования
R
г
SU
зи
(И)
r
зи
С
зи
С'
r
си
С
си
С''
(И)
(С)
(З)
R
н
3. ДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ УСИЛИТЕЛЕЙ
3.14. Основные соотношения параметров в схеме с общим истоком
Схемотехника аналоговых электронных устройств. Учеб. пособие
-75-
н си
вх зи зс м
н си
1
Rr
ССC S C
Rr
=++ +
+
(если
н си
Rr≥
).
2. Коэффициент усиления по напряжению.
Поскольку
вх
R
большое, то
Еu
KK=
. В полосе частот, где частотной за-
висимостью
S
и влиянием емкостей во входной и выходной цепях можно
пренебречь:
н си
н
н си
Еu
Rr
K K SR S
Rr
= = =
+
.
С учетом влияния емкостей верхнюю частоту для входной цепи опре-
делим следующим образом:
вх
в
г зи
вх
г зи
1
2π
f
Rr
C
Rr
=
+
,
вх
Г зи
вх
в
Г зи
τ
Rr
C
Rr
=
+
.
Аналогично для выходной цепи:
( )
вых
сл
в
си н
зи си
вх
си н
1
2π
f
rR
ССС
rR
=
++
+
,
( )
вых сл
си н
зи си
в вх
си н
τ
rR
ССС
rR
= ++
+
.
3. Выходное сопротивление
вых си
Rr=
.
3. ДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ УСИЛИТЕЛЕЙ
Схемотехника аналоговых электронных устройств. Учеб. пособие
-76-
3
3
.
.
1
1
5
5
.
.
Ш
Ш
у
у
м
м
о
о
в
в
ы
ы
е
е
э
э
к
к
в
в
и
и
в
в
а
а
л
л
е
е
н
н
т
т
н
н
ы
ы
е
е
с
с
х
х
е
е
м
м
ы
ы
3
3
.
.
1
1
5
5
.
.
1
1
.
.
Б
Б
и
и
п
п
о
о
л
л
я
я
р
р
н
н
ы
ы
й
й
т
т
р
р
а
а
н
н
з
з
и
и
с
с
т
т
о
о
р
р
В биполярном транзисторе выделяют три источника шума.
1. ЭДС шума базы. На эквивалентной схеме транзистора обозначается
в виде источника ЭДС, включенного последовательно с
бб
r
′
.
2. Шумовой ток эмиттерного перехода. На эквивалентной схеме тран-
зистора обозначается в виде источника тока, включенного параллельно с
бэ
r
′
.
3. Шумовой ток коллекторного перехода. На эквивалентной схеме
транзистора обозначается в виде источника тока, включенного параллельно
с
áý
SU
′
.
С учетом трех составляющих шума транзистора эквивалентная схема
приобретает следующий вид (рис. 3.17
).
3
3
.
.
1
1
5
5
.
.
2
2
.
.
П
П
о
о
л
л
е
е
в
в
о
о
й
й
т
т
р
р
а
а
н
н
з
з
и
и
с
с
т
т
о
о
р
р
В полевом транзисторе суммарный шум определяется двумя источниками:
1. Шумовым током в канале. Источник этого шумового тока включен
аналогично
ис
к
I
биполярного транзистора.
2. Шумом входной проводимости. Обычно этот источник учитывают
при высокоомном сопротивлении источника входного сигнала.
В элементах, составляющих схему усилителей, протекают постоянные
и переменные составляющие токов, вызывающие соответствующие им паде-
ния напряжения. Совокупность этих токов и напряжений определяет режим
работы как усилительного элемента, так и каскада в целом по переменному и
постоянному току.
Режим работы по постоянному току. В этом режиме ЭДС источника
сигнала равна нулю и рассматривают только постоянные составляющие то-
ков и напряжений. На семействе характеристик УЭ (входных, выходных или
статистических) этому режиму соответствует исходная рабочая точка.
Рис. 3.17. Эквивалентная схема транзистора
как источника шума
SU
б'э
r
б'э
Е
ш
I
шк
I
ш.э
r
б'б
3. ДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ УСИЛИТЕЛЕЙ
3.15. Шумовые эквивалентные схемы
Схемотехника аналоговых электронных устройств. Учеб. пособие
-77-
Исходная рабочая точка должна находиться в активной области. В этом
случае удается обеспечить режим усиления, близкий к линейному. Электри-
ческие цепи, обеспечивающие заданное положение рабочей точки, носят на-
звание «цепи смещения», напряжения и токи, созданные цепями смещения,
называют соответственно «напряжение смещения» и «ток смещения».
В
В
ы
ы
в
в
о
о
д
д
ы
ы
Построение ДХ позволяет быстро оценить практически все энергетиче-
ские параметры усилительного каскада.
Область использования ДХ: приближенные вычисления; проверка
энергетических расчетов на грубые ошибки.
Расчет режима работы по постоянному току выполняют в два этапа:
1. Определяют напряжение, токи смещения, обеспечивающие работо-
способность усилительного каскада при подаче на вход усиливаемого сигнала.
2. Определяют методы стабилизации напряжения, токов смещения и
параметров УЭ при воздействии различных дестабилизирующих факторов.
При анализе работы УЭ по переменному току различают следующие режимы:
1. Квазистатический режим, при котором зависимостью параметров
УЭ от частоты можно пренебречь.
2. Режим малого сигнала – в этом режиме параметры УЭ не зависят от
величин токов и напряжений.
3. Режим большого сигнала. В этом режиме проявляются нелинейные
свойства УЭ, необходимо учитывать зависимость параметров УЭ от уровня
токов и напряжений.
Режим усиления можно определить по сквозной динамической харак-
теристике, т. е. по зависимости
вых
i
от
вх
Е
.
Различают режимы «А», «АВ», «В», «С», «D». Тот или иной режимы определя-
ются выбором положения рабочей точки на выходной динамической характеристике.
Рис. 3.18. Области работы транзистора
I
к
I
к. доп
I
б
''''
I
б
'''
I
б
''
I
б
'
I
б
= 0
U
кэ
U
кэ. доп
0
Схемотехника аналоговых электронных устройств. Учеб. пособие
-78-
4
4
.
.
Ц
Ц
Е
Е
П
П
И
И
П
П
И
И
Т
Т
А
А
Н
Н
И
И
Я
Я
И
И
Т
Т
Е
Е
Р
Р
М
М
О
О
С
С
Т
Т
А
А
Б
Б
И
И
Л
Л
И
И
З
З
А
А
Ц
Ц
И
И
И
И
Р
Р
Е
Е
Ж
Ж
И
И
М
М
А
А
Р
Р
А
А
Б
Б
О
О
Т
Т
Ы
Ы
П
П
О
О
П
П
О
О
С
С
Т
Т
О
О
Я
Я
Н
Н
Н
Н
О
О
М
М
У
У
Т
Т
О
О
К
К
У
У
4
4
.
.
1
1
.
.
К
К
а
а
с
с
к
к
а
а
д
д
н
н
а
а
б
б
и
и
п
п
о
о
л
л
я
я
р
р
н
н
о
о
м
м
т
т
р
р
а
а
н
н
з
з
и
и
с
с
т
т
о
о
р
р
е
е
Цепи питания электронных схем должны удовлетворять двум основ-
ным требованиям:
1. Обеспечивать рассчитанный режим работы транзистора по постоян-
ному току, выраженный координатами точек входной
( )
00
бб
; IU
и выходной
( )
00
кк
; IU
цепей.
2. Обеспечивать минимум отклонения от этого режима из-за разброса
параметров транзистора, изменения температуры окружающей среды и изме-
нения питающего напряжения.
Задание рабочей точки транзистора с помощью цепей смещения может
быть:
фиксированным (по току базы
б
constI =
; по напряжению база – эмит-
тер
бэ
constU
′
=
);
плавающим, когда эти величины изменяются во времени.
Частным случаем плавающего смещения является автоматическое
смещение. В этом случае при изменении
к
I
изменяется
б
I
или
бэ
U
′
, стремясь
вернуть
к
I
в первоначальное состояние. При построении цепей автоматиче-
ского смещения используются цепи обратной связи.
1. Цепь смещения с фиксацией
б
I
(рис. 4.1).
2. В данной схеме
к бэ
б
б
ЕU
I
R
′
−
=
.
Е
Рис. 4.1. Способ стабили-
зации рабочей точки
транзистора фиксацией
тока базы
R
б
R
к
I
б
+Е
к
Рис. 4.2. Способ стабилизации
рабочей точки транзистора
фиксацией напряжения
база – эмиттер
+Е
к
R
б1
R
к
I
R1,2
R
б2
4. ЦЕПИ ПИТАНИЯ И ТЕРМОСТАБИЛИЗАЦИИ РЕЖИМА РАБОТЫ ПО ПОСТОЯННОМУ ТОКУ
4.1. Каскад на биполярном транзисторе
Схемотехника аналоговых электронных устройств. Учеб. пособие
-79-
сли применить:
к бэ
ЕU
′
>
;
б вх
Rr
>
, то
к
б
б
Е
I
R
≅
– постоянная величина и не за-
висит от параметров транзистора.
Однако
( )
0
кб к
β β1II I= ++
, где
0
к
I
– обратный ток коллектора (тепло-
вой ток коллекторного перехода). Ток
0
к
I
мал, однако при изменении темпе-
ратуры он может значительно увеличиваться. К тому же параметр β также
сильно зависит от температуры. Поэтому стабилизация тока
б
I
не приводит
к стабилизаци
к
I
в интервале температур, и данная схема используется редко.
3. Цепь смещения с фиксацией
бэ
U
′
(рис. 4.2).
Смещение на базу подается с делителя
12
бб
:RR
. Напряжение, снимае-
мое с резистора
2
б
R
,
бэ
U
′
.
2
0
12
б
кб
бб
R
ЕЕ
RR
= =
+
.
12
12
бб
б
бб
RR
R
RR
=
+
.
Тогда
0
бэ б б б
UЕ IR
′
= −
, если
0
бб б
IRЕ
, то
0
бэ б
UЕ
′
≅
.
Если
б
0R →
, то на базу подается фиксированное напряжение
б э об
UЕ
′
=
.
R
б1
R
б2
R
к
+Е
к
I
R1,2
Рис. 4.3. Способ с эмиттер-
ной стабилизацией рабочей
точки транзистора
R
к
+Е
к
R
б
U
кэ
Рис. 4.4. Цепь с коллектор-
ной стабилизацией режима
работы транзистора
по постоянному току
4. ЦЕПИ ПИТАНИЯ И ТЕРМОСТАБИЛИЗАЦИИ РЕЖИМА РАБОТЫ ПО ПОСТОЯННОМУ ТОКУ
4.1. Каскад на биполярном транзисторе
Схемотехника аналоговых электронных устройств. Учеб. пособие
-80-
Следующие два варианта цепей смещения относятся к цепям автосме-
щения или к цепям со стабилизацией режима работы транзистора по посто-
янному току.
4. Цепь фиксации рабочей точки транзистора с эмиттерной стабили-
зацией (рис. 4.3
).
Резистор
0
э
R
– резистор обратной связи. Связь последовательная по то-
ку. В данной схеме
00 0
бэ б э э б к э
UЕIR ЕIR
′
=− ≅−
.
Изменение
0
к
I
, обусловленное температурой транзистора, вызывает
обратно пропорциональное изменение
бэ
U
′
, что, в свою очередь, приводит к
запиранию или открыванию транзистора, и, как следствие этого, к стабили-
зации тока коллектора.
5. Цепь с коллекторной стабилизаци-
ей режима работы транзистора по постоян-
ному току (рис. 4.4
).
В данной схеме:
0
кэ б э кэ
б
бб
UU U
I
RR
′
−
= ≅
,
0
кэ кэ к к
ЕU IR= −
,
Тогда
0
0
к кк
б
б
Е IR
I
R
−
=
. (4.1)
Из (4.1
) следует, что изменение
0
к
I
вызывает обратно пропорциональ-
ное изменение тока
0
б
I
, что приводит к соответствующему изменению
0
к
I
.
В данной схеме
б
R
– элемент ООС параллельной по напряжению.
Схема, приведенная на рис. 4.5
, обладает несколько худшей стабилизи-
рующей способностью по сравнению с предыдущей (рис. 4.4
).
Любую схему питания транзистора можно свести к обобщенной экви-
валентной схеме по постоянному току (рис. 4.5
).
4
4
.
.
2
2
.
.
Э
Э
к
к
в
в
и
и
в
в
а
а
л
л
е
е
н
н
т
т
н
н
а
а
я
я
с
с
х
х
е
е
м
м
а
а
д
д
л
л
я
я
р
р
а
а
с
с
ч
ч
е
е
т
т
а
а
т
т
е
е
р
р
м
м
о
о
с
с
т
т
а
а
б
б
и
и
л
л
ь
ь
н
н
о
о
с
с
т
т
и
и
Особенностью биполярного транзистора является то, что его режим за-
висит от температуры двух p–n-переходов. При рассмотрении биполярного
транзистора выделяют три параметра, зависящие от температуры. При этом
учитывают и влияние температуры, и технологический разброс.
1. Обратный ток коллектора.
Рис. 4.5. Обобщенная эквива-
лентная схема питания транзи-
стора по постоянному току
R
б
R
э
R
к
Е
б
Е
э
Е
к