Транзисторные каскады
Постоянное расширение выполняемых электронными средствами функций, улучшение эксплутационных свойств (надежности, быстродействия), снижение затрат и стоимости требует совершенствования их элементной базы и методов проектирования.
Современные электронные системы создаются с использованием интегральных микросхем высокой степени интеграции, а также кристаллов с программируемой структурой. Весьма сложные устройства, как правило, создаются на основе использования типовых многократно повторяющихся объектов (элементов).
Элементную базу достаточно сложных функциональных микроэлектронных устройств составляет конечный набор типовых блоков, на основе которых строят аналоговые и цифровые преобразователи. Построение устройств на основе типовых модулей упрощает моделирование сложных структур и проектирование электронных средств с использованием различных уровней элементной базы (элемент, модуль, блок). Характеристики и параметры элементной базы существенно влияют на свойства устройства в целом.
Наиболее распространенными простыми типовыми элементами являются устройства (каскады), построенные на базе полупроводникового прибора с цепями электропитания, обеспечения режима работы, ввода и вывода сигналов (рис.3.1).
Рис.3.1. Структура типового элемента
В качестве полупроводникового прибора, определяющего основные характеристики каскада, применяются биполярные или полевые транзисторы. Во входных и выходных схемах, обеспечивающих режим работы каскада, используются линейные и нелинейные пассивные компоненты, а также источники стабильных напряжений и токов.
Первоначально каскады были разработаны на конструктивно завершенных деталях (транзисторах, резисторах, конденсаторах, трансформаторах) для построения различных усилителей электрических сигналов. Сложные схемы путем соединения каскадов с известными характеристиками и введения цепей прямой и обратной передачи сигналов для обеспечения требуемых параметров устройства в целом. Была создана достаточно широкая номенклатура усилительных каскадов с различными параметрами и предложены формальные макромодели, синтезированные с использованием паспортных параметров на изделие без учета технологии изготовления.
Такой подход проектирования сложных устройств оказался достаточно удобным при их реализации методами интегральной технологии. Типовые каскады составляют основу большинства аналоговых и цифровых элементов, образованных соединением простых каскадов с дополнительными схемами обработки сигналов.
Схемы каскадов ИМС создают с учетом особенностей интегральной полупроводниковой технологии:
- формирование пассивных элементов на основе транзисторных структур;
- преимущественное использование в схемах транзисторов одного типа, вследствие различия технологических операций изготовления биполярных и МДП структур;
- исключение из схем индуктивных катушек и конденсаторов больших номиналов;
- жесткое ограничение суммарного сопротивления резисторов, связанное с уровнем рассеиваемой кристаллом мощности.
У вас большие запросы!
Точнее, от вашего браузера их поступает слишком много, и сервер VK забил тревогу.
Эта страница была загружена по HTTP, вместо безопасного HTTPS, а значит телепортации обратно не будет.
Обратитесь в поддержку сервиса.
Вы отключили сохранение Cookies, а они нужны, чтобы решить проблему.
Почему-то страница не получила всех данных, а без них она не работает.
Обратитесь в поддержку сервиса.
Вы вернётесь на предыдущую страницу через 5 секунд.
Вернуться назад
4. КАСКАДЫ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО УСИЛЕНИЯ
Каскады предварительного усиления предназначены для усиления сравнительно слабых сигналов до уровня, необходимого для раскачки каскадов усилителя мощности. Активные элементы в усилителях предварительного усиления всегда работают с сигналами небольшой величины, что позволяет использовать в этих каскадах режим А, при котором нелинейные искажения оказываются минимальными. В качестве активных элементов в них используются биполярные и полевые транзисторы и операционные усилители. При проектировании каскадов предварительного усиления основное внимание уделяется таким параметрам, как коэффициент усиления (чаще всего по напряжению), входное и выходное сопротивления, полоса усиливаемых частот, линейные и нелинейные искажения. Как правило, предварительные усилители
| состоят из нескольких каскадов. Для | связи | между каскадами | могут | ||
| использоваться непосредственная, резистивная, | трансформаторная | или | |||
| дроссельная связи. Два последних вида | межкаскадной связи | в настоящее | |||
| время | применяются довольно редко. В данном разделе основное внимание | ||||
| будет | уделено резистивной связи | между | каскадами. | Особенности | |
непосредственной связи рассмотрим в разделе, посвященном усилителям постоянного тока.
4.2. Транзисторный резисторный каскад
Принципиальная схема резисторного каскада предварительного усиления на биполярном транзисторе представлена на рис. 4.1, где
E И , R И – источник сигнала и его внутреннее сопротивление; R 1 , R 2 , R 4 , R 5 – сопротивления, с помощью которых осуществляется эмиттерная стабилизация рабочей точки. Кроме того, сопротивление R 4 создает отрицательную последовательную обратную связь по току; R 3 – обеспечивает питание коллекторной цепи по постоянному току; С Н , R Н – емкость и сопротивление нагрузки (эквивалент входной цепи следующего каскада); R 6 , C 2 – цепочка фильтра (может использоваться для сглаживания пульсаций источника питания, в качестве низкочастотной коррекции, как элемент коллекторной стабилизации, а также для устранения паразитной обратной связи через источник питания);
| Eo | ||
| С 2 | R 6 | |
| R 1 | R 3 | |
| VT | ||
| С 1 | C Н | |
| R И | u 2 R Н | |
| R 4 | ||
| R 2 | ||
| E И | R 5 | C 3 |
Рис. 4.1 C 3 – конденсатор для устранения последовательной отрицательной обратной связи по току по переменной составляющей; C 1 , C 4 – разделительные конденсаторы, служащие для разделения каскадов по постоянному току. Емкость этих конденсаторов выбирается достаточно большой величины, чтобы не создавать заметного сопротивления для протекания тока сигнала на самой низкой частоте полосы пропускания усилителя. Справа от С 4 включен эквивалент входной цепи следующего каскада. Физические процессы, происходящие в этой цепи, по сути не будут отличаться от процессов во входной цепи рассматриваемого транзистора. Поэтому удобнее выбрать в качестве выходного напряжение u 2 , действующее между коллекто-
ром и землей при отключенном конденсаторе С 4 . Влияние цепи С 4 , R Н , C Н на работу усилителя можно учесть при анализе следующего каскада. В этом случае рассматриваемый каскад можно будет представить в виде эквивалентного генератора с внутренним сопротивлением (чаще всего это сопротивление R 3 ), нагруженным на входную цепь следующего каскада ( С 4 , R Н = R ВХ.СЛ ,
| С Н = C ВХ.СЛ ). | ||
| Источник сигнала Е И создает ток, протекающий от | Е И через С 1 , со- | |
| противление R 1 , конденсатор С 2 к | Е И . Сопротивление конденсатора С 2 для | |
этого тока можно считать равным нулю. Вторая составляющая тока источника сигнала протекает через С 1 и сопротивление R 2 . Это приводит к тому, что сопротивления R 1 , R 2 оказываются включенными параллельно. Ещё одна составляющая тока источника течет через С 1 , переход эмиттер-база транзистора, сопротивление R 4 и конденсатор С 3 . Таким образом, входная цепь каскада состоит из параллельного соединения резисторов R 1 , R 2 и входного сопротивления транзистора с учетом влияния резистора R 4 . Во многих случаях наличие резистора R 4 не является обязательным. В соответствии с эквивалентной схемой транзистора (рис. 3.2) выходную цепь транзистора (коллектор-эмиттер) можно заменить управляемым генератором Su Б’Э , ток которого при заданной полярности входного сигнала направлен сверху вниз. В реальной схеме ток этого генератора протекает по двум контурам. Одна составляющая тока течет от эмиттера через R 4 , C 3 , C 2 , R 3 к коллектору. Вторая составляющая тока коллектора будет протекать от эмиттера через сопротивление R 4 , конденсатор С 3 , параллельное соединение R H , С H , конденсатор С 4 к коллектору транзистора. Для удобства анализа будем считать, что цепь для второй составляющей тока коллектора разорвана, а влияние цепи нагрузки будет учитываться при расчете входной цепи следующего каскада. Проведенный анализ токов сигнала, протекающих в транзисторном каскаде, позволяет составить его полную эквивалентную схему для переменного тока рис. 4.2. На этой схеме сопротивление R Б является эквивалентом параллельного соединения R 1 и R 2 . Транзистор заменен его эквивалентной схемой (точки Б, Э, К).
| 1 | С 1 | Б | r Б’ | Б′ | С К | К | С 4 | 2 |
| R И | u Б’Э | r Б’Э | С Б’Э | R 3 | ||||
| Su Б’Э | ||||||||
| R Б | R H | |||||||
| Е И | u 1 | u Б | R 4 | u 2 | C H | |||
| R 6 | ||||||||
| C 3 | R 5 | C 2 | ||||||
| 2 | ||||||||
| Рис. 4.2 | ||||||||
Обычно емкость конденсаторов С 3 , С 2 выбирается таким образом, чтобы их сопротивления для переменной составляющей стремились к нулю. Следовательно, элементы C 2 , C 3 , R 5 , R 6 могут быть исключены из эквивалентной схемы (их влияние на работу каскада будет рассмотрено позже), а резисторы R 4 и R 3 при этом непосредственно соединяются с землей. Схема (рис. 4.2) позволяет рассчитать такие основные параметры каскада, как входное и выходное сопротивления Z ВХ , Z ВЫХ , коэффициенты усиления К 0 и K 0Е , частотную и фазовую характеристики К( ω ) и Ф( ω ), переходную характеристику h(t). Входное сопротивление резистивного каскада на транзисторе состоит из R Б и подключенного параллельно ему входного сопротивления транзистора Z ВХТ и сопротивления емкости С 1 :
| Z | ВХ | = | R Б Z ВХТ | + | 1 | , | (4.1) | |||
| j ω C | ||||||||||
| R | Б | + Z | ВХТ | |||||||
| 1 | ||||||||||
где Z ВХТ – входное сопротивление транзистора, равное отношению напряжения u Б между базой и землей к току базы i Б :
| Z ВХТ = u Б = u БЭ + i Э R 4 = h 11 + (1 + h 21 )R 4 . | (4.2) | |
| i Б | i Б | |
Нетрудно видеть, что входное сопротивление каскада Z ВХ растет по мере уменьшения частоты за счет увеличения сопротивления емкости С 1 . Параллельное соединение R 5 , C 3 также может влиять на Z ВХ . На частотах, где сопротивление емкости С 3 оказывается соизмеримо с величиной R 5 , необходимо учитывать влияние этого соединения на входное сопротивление транзистора Z ВХТ :
| Z ВХТ = h 11 + (1 + h 21 )R 4 + (1 + h 21 )Z R5C3 , | (4.3) |
где Z R5C3 = R 5 //C 3 – сопротивление параллельного соединения R 5 и C 3 . В общем случае параметр h 11 в (4.2 – 4.3) является комплексной величи- ной
| h 11 = r Б ′ + Z Б ′ Э = r Б ′ + | r Б ′ Э | . | (4.4) | |
| 1 + j ω C | ′ | r ′ | ||
| Б Э Б Э | ||||
Частотная зависимость h 11 проявляется на высоких частотах и возникает из-за влияния емкости С Б’Э . В области средних частот, где емкости не оказывают никакого влияния, входное сопротивление согласно (4.1) – (4.4) становится равным
| R ВХ = R Б // R ВХТ = | R Б [h 11 + (1 + h 21 )R 4 ] | . | (4.5) |
| R Б + h 11 + (1 + h 21 )R 4 | |||
Это сопротивление не может быть больше, чем R Б , однако может несколько возрастать с ростом R 4 под влиянием усиливающейся отрицательной обратной связи, последовательной по входу. Такая обратная связь далеко не всегда используется в каскадах предварительного усиления. Для ее устранения следует убрать из схемы сопротивление R 4 , при этом существенно упрощаются выражения (4.2, 4.3, 4.5):
| Z | ВХ | = u Б = h | = r ′ + | r Б ′ Э | , | |||||
| 1 + j ω C ′ | ||||||||||
| i | Б | 11 | Б | r ′ | ||||||
| Б Э Б Э | ||||||||||
| R ВХ = R Б // R ВХТ | = | R Б [ r Б ′ + r Б ′ Э ] | = | R Б h 11 | . | |||||
| R Б + r Б ′ + r Б ′ Э | R Б + h 11 | |||||||||
При необходимости учесть влияние цепи R 5 C 3 , сопротивление этой цепи надо добавить к входному сопротивлению транзистора:
Z ВХТ = h 11 + (1 + h 21 )Z R5C3 Выходное сопротивление каскада Z ВЫХ состоит из параллельного соединения резистора R 3 и выходного сопротивления транзистора 1/h 22 . Для определения выходного сопротивления транзистора желательно использовать более сложную эквивалентную схему с проводимостью h 22 , включенной между коллектором и эмиттером. Из эквивалентной схемы транзистора (см. рис. 3.2) видно, что значение h 22 = 1/r КЭ . Однако для упрощения анализа вполне допустимо пренебречь этой проводимостью, так как в реальных каскадах h 22 значительно меньше проводимости 1/R 3 и ее влияние на Z ВЫХ оказывается очень слабым.
| С 1 Б r Б’ | Б′ | К | |
| R И | r Б’Э | Su Б’Э | |
| R Б | u Б’Э | Со | R 3 U 2 |
E И Э Рис. 4.3 Правда, такое допущение приводит к нежелательному результату: выходное сопротивление каскада перестает зависеть от обратной связи, создаваемой резистором R 4 . Но даже в этом случае рассматриваемое упрощение не вызывает заметных ошибок, так как из-за малости сопротивления R 3 данная зависимость носит скорее теоретический характер. Сделанное выше допущение позволяет принять в качестве выходного сопротивления каскада сопротивление
| Z ВЫХ = R ВЫХ = R 3 . | (4.6) |
Как правило, выходное сопротивление транзисторного резисторного каскада можно считать активным и постоянным для области частот, в которой параметры транзистора остаются не зависимыми от частоты. Перечисленные выше допущения позволяют значительно упростить эквивалентную схему транзисторного резисторного каскада (см. рис. 4.2) и перейти к эквивалентной
У вас большие запросы!
Точнее, от вашего браузера их поступает слишком много, и сервер VK забил тревогу.
Эта страница была загружена по HTTP, вместо безопасного HTTPS, а значит телепортации обратно не будет.
Обратитесь в поддержку сервиса.
Вы отключили сохранение Cookies, а они нужны, чтобы решить проблему.
Почему-то страница не получила всех данных, а без них она не работает.
Обратитесь в поддержку сервиса.
Вы вернётесь на предыдущую страницу через 5 секунд.
Вернуться назад