Файл: С.Н. Гринфельд Физические основы электроники уч. пособие.doc

.

Входное сопротивление достаточно велико (десятки килоом), что является одним из важнейших преимуществ каскада ОК. Выходное сопротивление ЭП небольшое и составляет десятки ом

Таким образом, основными особенностями эмиттерного повторителя являются следующие:

• коэффициент усиления по напряжению меньше единицы;

• усиление по току и мощности больше единицы;

• малые частотные искажения;

• входное сопротивление каскада значительно больше, чем у каскада с ОЭ;

• выходное сопротивление значительно меньше, чем у каскада с ОЭ и практически не зависит от сопротивления резистора выходной цепи каскада в достаточно широком диапазоне его изменения;

• большой динамический диапазон входных сигналов при низком уровне нелинейных искажений, это объясняется тем, что потенциал эмиттера практически повторяет потенциал базы (U_бэ → 0), который может изменяться от 0 до напряжений близких к E_к.

Эмиттерный повторитель широко используется в качестве:

• входного каскада при работе от источника входного сигнала с высоким внутренним сопротивлением;

• промежуточного каскада для согласования высокого выходного сопротивления с малым входным сопротивлением последнего каскада;

• выходного каскада при работе на низкоомную нагрузку.

6.5.5. Усилительный каскад на полевом транзисторе

Усилительный каскад на полевом транзисторе (ПТ) имеет такую же структуру, как и усилительный каскад на биполярном транзисторе (БТ). Отличительными особенностями ПТ являются:

• чрезвычайно малые токи во входной цепи, а следовательно, и малая мощность, необходимая для управления прибором;

• линейная зависимость крутизны от управляющего напряжения, возможность работы в качестве сопротивления, управляемого напряжением;

• наличие термостабильной точки у транзисторов с обратносмещенным переходом затвор-исток;

• повышенная радиационная стойкость;

• малый уровень шумов;

• простота технологии при их производстве.

По аналогии с БТ в зависимости от того, какой электрод подключается к общей шине различают три схемы включения ПТ:

1. с общим истоком (ОИ);

2. с общим стоком (ОС);

3. с общим затвором (ОЗ).

Схема с ОЗ обладает низким входным сопротивлением и потому имеет ограниченное практическое применение. Основным и наиболее распространенным является каскад с ОИ.

Схема с ОИ (рис. 6.28) соответствует схеме с ОЭ для биполярного транзистора, но поскольку входная цепь полевых транзисторов не потребляет тока от источника сигнала входное сопротивление усилителя чрезвычайно велико. В этой схеме емкости C_р1,C_р2– играют роль разделительных элементов. СопротивлениеR_сявляется нагрузкой ПТ по постоянному току (аналогично сопротивлениюR_кв схеме с ОЭ).

В усилителе применено автоматическое смещение. Цепочка R_иC_ив цепи истока служит для получения напряжения автоматического смещения и выбора рабочей точки на стоко-затворной характеристике ПТ.

Падение напряжения на R_иот тока покоя транзистора (I_сп) создает смещение потенциала истока относительно общей точки на величину

U_ип=I_спR_и,

а потенциал затвора равен нулю, так как падение напряжения от тока затвора на сопротивлении R_зпренебрежимо мало (I_з→ 0). В итоге напряжение между затвором и истоком в режиме покоя будет равно:

U_зип=I_спR_и.

Резистор R_и, кроме функции автоматического смещения на затвор, выполняет также функцию термостабилизации режима покоя. Чтобы исключить ООС по переменному току резисторR­_ишунтируется конденсаторомC_и. Для максимальной термостабилизации каскада токI_cпжелательно выбирать в термостабильной точке.

Р

Рис. 6.28. Принципиальная схема усилителя на полевом транзисторе.

Д

Рис. 6.29. Графическое представление работы каскада

на полевом транзисторе

Линия нагрузки графически соответствует уравнению выходной цепи каскада:

U_си=E_с–I_с(R_с+R_и).

Линия нагрузки по переменному току определяется сопротивлением:

R_н~ =R_С ׀׀R_н.

Но если R_н>>R_с(а это выполняется, когда нагрузкой на ПТ является каскад с ОЭ), в этом случаеR_{вых пт}является внутренним сопротивлением источника сигнала, а от его значения зависит коэффициент усиления каскада с ОЭ:

K_{u оэ}= β·R_н~ / (R_вх+R_г).

Обычно задают R_c< 0,1R_н.

Линия нагрузки по переменному току незначительно отличается от линии нагрузки по постоянному току.

Рассмотрим работу каскада (см. рис. 6.28) по переменному току (рис. 6.29). Входной сигнал (U_вх) поступает на затвор транзистора через разделительный конденсаторC_р1, создает токиI_R1иI_Rзделителя. При этом в цепи затвора тока практически нет. Под действием входного напряжения изменяется сопротивление транзистора и в токе стока появляется переменная составляющая (I_c~)_,часть которой (I_Rc~), проходит через стоковый резисторR_с, а остальная через резистор нагрузкиR_н. При прохождении токаI_c~ через параллельно включенные резисторыR_сиR_нна них образуется выходной усиленный сигнал:

U_вых=I_c~(R_с||R_н).

Основные параметры каскада получим также с помощью эквивалентной схемы для средних частот (рис. 6.30).

По схеме замещения определяются основные параметры каскада по переменному току:

Рис. 6.30. Схема замещения каскада с общим истоком

; ;

.

6.5.6. Схема с ос (истоковый повторитель)

В схеме истокового повторителя (рис. 6.31) выходной переменный сигнал снимается с сопротивления R_u, т.е. сопротивлениеR_uявляется нагрузкой каскада по постоянному току. Эта схема обладает значительно большим входным сопротивлением, чем схема с ОИ.

В большинстве случаев в области низких частот это не имеет особого значения, так как R_вхдостаточно велико и для схем с ОИ. Преимуществом схемы с ОС является то, что она существенно уменьшает входную емкость усилителя. А это делает ИП по отношению к каскаду с ОИ более высокочастотным.

Выходное сопротивление ИП равно:

R_вых= (1/S) ||R_u=R_u/ (1 +SR_u) приSR_u>> 1,R_вых≈ 1 /S.

Величина R_выхв схеме с ОС составляет от десятков ом до единиц килоом. Небольшое значение крутизны не позволяет в ИП таких низких выходных сопротивлений как в эмиттерном повторителе.

Т

Рис. 6.31. Схема усилительного каскада с ОС на полевом транзисторе

Коэффициент передачи по напряжению ИП равно:

K_u = U_н / U_вх = S (r_i || R_н~) / [1 + S (r_i || R_н~)],

так как r_i >> R_н~.

K_u = S·R_н~ / (1 + S R_н~).

7. Усилители постоянного тока

7.1. Определение усилителя постоянного тока. Дрейф нуля

Усилителями постоянного тока (УПТ) называются устройства, предназначенные для усиления медленно изменяющихся сигналов вплоть до нулевой частоты. На рис. 7.1 приведена АЧХ усилителя постоянного тока. Отличительной особенностью УПТ является отсутствие разделительных элементов, предназначенных для отделения усилительных каскадов друг от друга, а также от источника сигнала и нагрузки по постоянному току.

Таким образом, для осуществления передачи сигналов частот, близких к нулю, в УПТ используется непосредственная (гальвани­ческая) связь. Непосредственная связь может быть использована и в обычных усилителях переменного тока с целью уменьшения числа элементов, простоты реализации в интегральном исполне­нии, стабильности смещения и т.д. Однако такая связь вносит в усили­тель ряд специфических особенностей, за­трудняющих как его выполнение, так и эк­сплуатацию. Хорошо передавая медленные изменения сигнала, непосредственная связь затрудняет установку нужного режима покоя для каждого каскада и обусловливает нестабильность их работы.

При разработке УПТ приходится решать две основные проблемы: согласование потенциальных уровней в соседних каскадах и уменьшение дрейфа (нестабильности) выходного уровня напряжения или тока.

Применение усилительных каскадов в УПТ ограничивается дрей­фом нуля. Дрейфом нуляназывается самопроиз­вольное отклонение напряжения или тока на выходе усилителя от начального значения. Этот эффект наблюдается и при отсутствии сигнала на входе. Поскольку дрейф нуля проявляется таким образом, как будто он вызван входным сигналом УПТ, то его невозможно отличить от истинного сигнала. Существует достаточно много физических причин, обусловлива­ющих наличие дрейфа нуля в УПТ. К ним относятся нестабиль­ности источников питания, температурная и временная нестабиль­ности параметров транзисторов и резисторов, низкочастотные шумы, помехи и наводки. Среди перечисленных причин наиболь­шую нестабильность вносят изменения температуры, вызывающие дрейф. Этот дрейф обусловлен теми же причинами, что и не­стабильность тока коллектора усилителя в режиме покоя: изменениямиI_кбо,U_{бэ п}иβ. Поскольку температурные изменения этих параметров имеют закономерный характер, то в некоторой степени могут быть скомпенсированы.

Абсолютным дрейфом нуля(ΔU_вых), называется максимальное самопроизвольное отклонение выходного напряжения УПТ при замкнутом входе за определенный промежуток времени. Качество УПТ обычно оценивают по напряжению дрейфа нуля, приведен­ного ко входу усилителя:

е_др = ΔU_вых/K_u.

Приведенный ко входу усилителя дрейф нуля не зависит от коэффициента усиления по напряжению и эквивалентен ложному входному сигналу. Величина е_дрограничивает минимальный входной сигнал, т.е. определяет чувствительность усилителя.

В усилителях переменного тока, естественно, тоже существует дрейф нуля, но так как их каскады отделены друг от друга разделительными элементами (например, конденсаторами), то этот низкочастотный дрейф не передается из предыдущего каскада в последующий и не усиливается им. Поэтому в таких усилителях дрейф нуля минимален и его обычно не учитывают.

В УПТ для уменьшения дрейфа нуля, прежде всего, следует заботиться о его снижении в первом каскаде. Приведенный ко входу усилителя температурный дрейф снижа­ется при уменьшении номиналов резисторов, включенных в цепи базы и эмиттера. В УПТ резистор R_Эбольшого номинала может создать глубокую ООС по постоянному току, что повысит стабильность и одновременно уменьшитK_Uдля рабочих сигналов постоянного тока.