Файл: Н.А. Резниченко Исследование полупроводниковых усилителей.pdf

8

Усилительный каскад на биполярном транзисторе

собщей базой

Втиповой схеме усилительного каскада с общей базой (ОБ) делитель напряжения, составленный из резисторов RД1 иRД2 (рис.6), создает

на RД2 напряжение смещения на базу относительно эмиттера, фиксируя положение рабочей точки на входной динамической характеристике каскада. Через резистор Rэ проходит постоянная составляющая эмиттерного тока Iэ0. Поэтому суммарная величина напряжения смещения, подаваемого на базу:

Рис.6. Схема усилительного каскада с общей базой (ОБ)

Конденсатор Сб свободно пропускает переменную составляющую базового тока, устраняя отрицательную обратную связь по ней и повышая этим коэффициент усиления каскада по напряжению.

9

На резисторе Rк, который служит коллекторной нагрузкой, выделяется усиленное выходное напряжение переменной составляющей входного сигнала, кроме того, через Rк проходит и постоянная составляющая коллекторного тока, создавая на коллекторе необходимую величину

Таким образом, коэффициент усиления этого каскада по напряжению КU = ∆Uвых /∆Uвх >> 1. В зависимости от величины сопротивления резистора Rк, которое бывает значительно больше Rвх каскада, коэффициент усиления по напряжению КU может достигать 10-200. При этом сопротивление резистора Rк выбирается в пределах 1-20 кОм.

Коэффициент усиления по току КI =∆Iк/∆Iэ< 1.

Коэффициент усиления по мощности Кр = КU КI ≈ КU, то есть значительно меньше, чем в схеме с общим эмиттером.

Входное сопротивление каскада Rвх определяется главным образом сопротивлением Rэ и имеет незначительную величину (10-50 Ом),

выходное Rвых≈ Rк.

Усилительный каскад с ОБ обладает значительно лучшей температурной стабилизацией рабочего режима.

В табл.1 приведены сравнительные свойства рассмотренных схем включения транзисторов.

10

Схема усилителя на составном транзисторе

В усилителях на дискретных элементах и в интегральных микросхемах применяются составные транзисторы, представляющие собой комбинацию из двух каскадно включенных транзисторов. Чаще других используют комбинацию эмиттерных повторителей, известную под названием схемы Дарлингтона (рис.7). Как видно из схемы, составной

Рис.7. Схема эмиттерного повторителя (схема Дарлингтона)

транзистор имеет три вывода, эквивалентные эмиттеру (Э), базе (Б) и коллектору (К). Поэтому его можно рассматривать как единый транзистор, обладающий определенными параметрами, основными из которых являются:

коэффициент усиления по току

где h21,1, h21,2 – коэффициенты усиления по току соответственно транзисторов VT1, VT2;

11

резистивный параметр

где h11,1, h11,2 – входные сопротивления соответственно VT1, VT2. Анализ изменений основных параметров эмиттерного повторите-

ля на составном транзисторе по формулам (6), (7) показывает, что он имеет более высокое входное и более низкое выходное сопротивления по сравнению с одиночным использованием транзистора.

Схема каскодного резисторного усилителя

При необходимости расширить полосу пропускания в область высоких частот и иметь при этом большой коэффициент усиления используют каскодные усилительные каскады. Одной из разновидностей схем последовательного включения каскадов усилителя является каскодная схема, в которой в первом каскаде транзистор VT2 включен по схеме с ОЭ, а во втором (транзистор VT1) – по схеме с ОБ. Принципиальная каскодная схема резисторного усилителя показана на рис. 8.

h – параметры каскодной схемы выражаются через h – параметры составляющих ее транзисторов следующим образом:

входное сопротивление схемы h11= h11э;

обратный коэффициент передачи напряжения с выхода на вход

h12= =h12э h12б ≈10-7;

коэффициент передачи тока h21= h21э h21б ≈ h21э; выходная проводимость h22 = h22б.

В приведенных формулах h11э, h12э, h21э – соответствующие параметры для схемы с ОЭ при малых сигналах, h11э, h12э, h21э – соответствующие параметры для схемы с ОБ при малых сигналах. Таким образом, входное сопротивление каскодной схемы равно входному сопротивлению схемы с ОЭ, а выходное – выходному сопротивлению схемы с ОБ. Коэффициент усиления тока такой же, как у схемы с ОЭ, а обратная передача напряжения с выхода на вход схемы практически отсутствует. При одинаковых значениях сопротивления Rк у каскодного усилительного каскада и каскада с ОЭ ширина полосы пропускания у первого будет значительно больше, так как постоянная времени его вы-

Рис.8. Схема каскодного резисторного усилителя

ходной цепи τ = RкCк меньше соответствующей постоянной времени каскада с ОЭ.

При каскодном включении задается потенциал базы транзистора VT1, для чего в цепь базы включен конденсатор сравнительно большой емкости Сб. Статический режим каскада рассчитывается аналогично вышерассмотренному. Таким образом, в каскодном каскаде реализуются преимущества каскадов с ОЭ и ОБ – большой коэффициент усиления и высокое выходное сопротивление.

Если конденсатор Сб отключить от общей шины (см. рис.8) и соединить с источником напряжения Uвх2, то ток в цепи будет зависеть как от Uвх1, так и от Uвх2. Если статический режим работы транзисторов выбран так, что они работают на нелинейных участках характеристик, то при одновременном изменении Uвх1 и Uвх2 каскад будет осуществлять перемножение этих сигналов. В спектре выходного напряжения будут присутствовать составляющие, имеющие частоты (ω1+ω2) и (ω1- -ω2), амплитуды которых зависят от значений Uвх1 и Uвх2, а также комбинационные гармоники. Это свойство позволяет создавать на основе каскодной схемы перемножители (смесители) двух сигналов.

Каскодное включение позволяет:

13

1)получать высокое выходное сопротивление;

2)уменьшать влияние емкостей коллекторного перехода и при использовании тех же транзисторов выполнять усилительные каскады с лучшими частотными характеристиками;

3)создавать устройства, управляемые одновременно несколькими сигналами, которые могут выполнять функции перемножителей сигналов;

4)реализовывать преимущества различных схем включения транзисторов (схем с ОЭ и ОБ).

Усилительный каскад на полевом транзисторе с общим истоком

Полевой транзистор, имеющий три внешних вывода, может быть включен в усилитель по трем различным схемам: с общим истоком (ОИ), общим стоком (ОС) и общим затвором (ОЗ). Наиболее широкое применение на практике нашла схема с ОИ ( рис.9), аналогичная варианту схемы с ОЭ биполярного транзистора (см. рис.1).

Основное отличие состоит в том, что коэффициент усиления по напряжению схемы на полевом транзисторе задается параметрами Rc, Rи и крутизной стокозатворной характеристики

где Ic ,Uзи, Uси – ток стока, напряжения соответственно затвор-исток и сток-исток. Другое отличие связано с тем, что номиналы конденсаторов связи схем на полевых транзисторах гораздо меньше, чем в схемах с биполярными транзисторами вследствие того, что полевые транзисторы представляют собой потенциальные приборы с высоким полным сопротивлением (биполярные транзисторы являются токовыми приборами с низким полным сопротивлением).

На рис.9 показана схема усилительного каскада на полевом транзисторе с затвором в виде p-n-перехода, в которой используется один источник питания Eс. Входной и выходной конденсаторы (на схеме не показаны) предназначены для предотвращения протекания постоянного тока как во внешние схемы, так и из них. Использование шунтирующего конденсатора Си1(Си2), подключенного к резистору Rи, позволяет обеспечить температурную стабильность схемы по постоянно-

14

Рис.9. Схема усилительного каскада на полевом транзисторе с общим истоком (ОИ)

му току и в то же время получить высокий коэффициент усиления сигнала. Начальный режим работы полевого транзистора обеспечивается постоянным током стока I0с и соответствующим ему постоянным напряжением на стоке U0c.

Ток I0с в выходной (стоковой) цепи устанавливается с помощью источника питания Eс и начального напряжения смещения на затворе U0з отрицательной полярности относительно истока. В свою очередь, напряжение U0з обеспечивается за счет тока I0с, проходящего через резистор Rи в цепи истока, то есть U0з= I0с R , которое через резистор R прикладывается к затвору с полярностью, указанной на рис.9. Изменяя сопротивление Rи, можно изменять напряжение U0з и ток стока Iс.

Резистор Rи, кроме функции автоматического смещения на затворе, выполняет также функцию термостабилизации режима работы усилителя по постоянному току, стабилизируя I0с. Чтобы на этом резисторе не выделялось напряжение за счет переменной составляющей тока,

15

его шунтируют конденсатором Си, емкость которого определяют из соотношения

где ω - угловая частота усиливаемого сигнала.

Сопротивление R, включенное параллельно входному сопротивлению усилителя, которое очень велико, должно иметь соизмеримое с ним значение.

Динамический режим работы полевого транзистора обеспечивается с помощью резистора Rс в цепи стока, с которого снимается переменный выходной сигнал при наличии входного усиливаемого сигнала. Обычно Rс<< R ≈Rвх. Поэтому, если нагрузкой усилительного каскада на полевом транзисторе является входное сопротивление аналогичного каскада усиления, то сопротивление нагрузки усилителя постоянной и переменной составляющих тока стока:

При этом в пределах усиливаемых частот сопротивления разделительных конденсаторов во входной и выходной цепях усилителя незначительны.

Усилительный каскад с ОИ меняет фазу усиливаемого сигнала на 1800 (как и в усилительном каскаде на биполярном транзисторе с ОЭ). Поэтому при воздействии на вход усилителя переменного входного сигнала uвх = uз = uзm sinω t напряжение выходного сигнала

где Sо − крутизна характеристики в рабочей точке (I0с , U0c). Усилительные каскады на полевых транзисторах благодаря их

большому входному сопротивлению (несколько МОм) широко применяют в качестве входных каскадов различных электронных устройств, источник входного сигнала которых обладает большим внутренним сопротивлением, в том числе усилителей в интегральном исполнении.