Содержание
1. Усилительныекаскады на составных транзисторах
2. Усилительныекаскады с динамическими нагрузками
3. Каскадные усилители
4. Многокаскадныеусилители. Амплитудно-частотные характеристики многокаскадных усилителей
5. Переходныехарактеристики многокаскадных усилителей
6. Выбор числакаскадов импульсных усилителей
1. Усилительныекаскады на составных транзисторах
Составной транзистор – это сочетание двух или болеетранзисторов, образующих активный трехполюсник с новыми параметрами ихарактеристиками.
В интегральныхмикросхемах формируются составные транзисторы, состоящие в основном из двухактивных элементов. На дискретных элементах – могут включать три транзистора.Большее число транзисторов пока не применяется, так как при имеющихся мощностяхтранзисторов входной транзистор будет работать при малых токах, т. е. в«голодном» режиме, отчего параметры составного транзистора будут сильнозависеть от температуры. Используя известные схемы нормального включениятранзисторов (ОИ, ОС, ОЗ и ОЭ, ОК, ОБ) можно получить различные составныетранзисторы:
– два биполярныхтранзистора одного или разного типов проводимости;
– биполярный и полевойтранзисторы;
– два полевых транзисторас одинаковыми или противоположными проводимостями каналов.
Рассмотрим различныеварианты составных транзисторов.
1) Составной транзисторна двух биполярных транзисторах типа n-p-n, включенных по схеме с общим коллектором.
Входное сопротивление составного транзистора
/>,
ток эмиттера первого транзистора
/>,
тогда
/>.
Таким образом входное сопротивление составноготранзистора много больше входного сопротивления одного транзистора.
Коэффициент усиления по току
/>.
Ток коллектора
/>, />, />,
тогда
/>.
Таким образом коэффициент усиления по току составноготранзистора много больше коэффициента усиления по току одного транзистора. Таккак коллекторы транзисторов соединены параллельно, то выходная проводимостьсоставного транзистора
/>.
2) Составной транзистор p-n-pтипа.
Входное сопротивлениесоставного транзистора определяется входным сопротивлением первого транзистора:/>.
Выходная проводимость определяется выходнойпроводимостью второго транзистора: />.
Усиление по току
/>, />, />.
Со стороны входа данный составной транзисторпредставляет собой p-n-p транзистор.
Рассмотрим несколько примеров применения составныхтранзисторов.
Входной ток транзистора VT2 представляетсобой эмиттерный ток транзистора VT1, который достаточно мал.Входной ток транзистора VT1 — величина еще меньшая, т. е. транзистор VT1работает в «голодном» режиме. «Голодный» режим первого транзистора заметноуменьшает его коэффициент усиления тока и в целом коэффициент усиления составноготранзистора (/>). Это одна из причиннецелесообразности применения большого числа транзисторов (более двух) посоставной схеме.
Это явление можно ослабить или нейтрализовать,подключив дополнительный резистор R. При этом эмиттерный ток первоготранзистора не ограничивается током базы второго транзистора, а коэффициентусиления тока первого транзистора увеличивается.
Для нормального режима питания первых транзисторов попостоянному току включаются резисторы R. Схемы повышают входноесопротивление, особенно в случае, если транзисторы VT1 заменить наполевые.
Составные транзисторы применяются:
1. В мощных оконечных безтрансформаторных каскадах.
2. В интегральных микросхемах, где два транзистораудается выполнить без увеличения площади кристалла, в объеме одноготранзистора.
Применение составныхтранзисторов в интегральных усилительных каскадах связано с особенностямиинтегральной технологии – n-p-n транзисторы достаточно просто формируются в однойизолированной области. Кроме того,
невозможно изготовить интегральные p-n-pтранзисторы с высокими параметрами без усложнения технологического процесса.Сочетание интегральных p-n-p транзисторов с невысокими техническими параметрами синтегральными n-p-n транзисторами позволяет получить составные p-n-pтранзисторы с достаточно высокими показателями.
2. Усилительные каскады сдинамическими нагрузками
Коэффициент усиления K=SRн.Чтобы увеличить коэффициент усиления, необходимо увеличивать Rн. Винтегральном исполнении это приводит к большой площади на кристалле, что потребуетувеличения его размера и, следовательно, стоимости микросхемы.
Если в схеме ОЭ вместо резисторной нагрузки включитьтранзистор другого типа проводимости, то получим простейший каскад сдинамической нагрузкой.
Транзисторы включены последовательно по постоянномутоку, поэтому />. Практически обатранзистора представляют собой генераторы стабильного тока. Если транзистор VT2представляет собой генератор стабильного тока, то транзистор VT1является токоотводом, и наоборот. Транзистора соединены коллекторными выводами.При этом сопротивления транзисторов постоянному току небольшие, а переменномуна несколько порядков выше.
Рассмотрим вначале эмиттерную цепь. Сопротивление попостоянному току
/>.
По переменному току – динамическое сопротивление
/>.
Очевидно, что />,т. е. Сопротивление переменному току со стороны эмиттерного вывода меньшесопротивления постоянному току.
Рассмотрим коллекторную цепь. Сопротивление попостоянному току
/>.
Динамическое сопротивление по переменному току
/>
Как видно из рисунка, />,поэтому />. Следовательно,динамическая нагрузка с большим сопротивление может быть получена только в томслучае, когда в качестве нагрузки используется выходное сопротивлениетранзистора со стороны коллектора. Коллекторная цепь каждого транзистора –динамическая нагрузка для другого транзистора, схема является симметричной. Вкачестве усилительного элемента и динамической нагрузки выбираютсякомплементарные пары транзисторов p-n-p и n-p-nтипов. Если на один вход подать напряжение сигнала, которое необходимо усилить,а на другой вход – только постоянное напряжение с помощью делителя, то первыйтранзистор будет выполнять функцию усилительного элемента УЭ, а его нагрузкойбудет выходное сопротивление другого транзистора. Иногда динамическая нагрузкаможет быть и управляемой. При этом входы можно поменять, поменяются УЭ идинамическая нагрузка. Если параметры транзисторов комплементарной пары (ОЭ)отличаются незначительно, то коэффициент усиления, входное и выходноесопротивление каскада ОЭ с динамической нагрузкой практически не изменяются приподаче усиливаемого сигнала на входы 1 или 2. Отличие входов состоит вразличном постоянном потенциале (разница в сумме />).
В эмиттерном повторителе транзисторы должны бытьодного типа, так как в этом случае динамическая нагрузка включается вэмиттерную цепь усилительного транзистора. Данная схема несимметрична.
Если подать сигнал на вход 2, то транзистор VT2является усилительным элементом в схеме ОК, транзистор VT1 — егодинамическая нагрузка с высоким сопротивлением по переменному току (со стороныколлектора). Коэффициент усиления K=1. При подаче сигнала на вход 1транзистор VT1 — усилительный элемент в схеме ОЭ, а его нагрузка –транзистор VT2 со стороны эмиттера, имеющий низкое входноесопротивление, поэтому коэффициент усиления K=1. Тем неменее, при соответствующем дополнении такая схема представляет интерес, приводяк каскадной схеме, обладающей особыми свойствами.
3. Каскадные усилители
За основу каскадного усилителя выбирается схемакаскада с динамической нагрузкой с общим коллектором на n-p-nтранзисторах. При этом в коллекторную цепь добавляется резистор Rн, с которого снимается сигнал. Полученная схеманазывается каскадной.
Каскадная схема представляет собой соединениетранзисторов, включенных с общим эмиттером (VT1) и общейбазой (VT2). Питание транзисторов – последовательное, нагрузкавключена в коллекторную цепь транзистора VT2.
Схему можно упростить, уменьшив число резисторов. Еслииспользовать биполярное питание, число резисторов можно еще уменьшить.
Входное сопротивлениетранзистора VT2, включенного по схеме с общейбазой, равно 1/S2. Этосопротивление является нагрузкой транзистора VT1. Тогда его коэффициент усиления K1=S1/S2, если S1=S2, то K1=1. Общее усиление
/>,
т. е., как у обычногокаскада.
Каскадная схема представляет собой соединениетранзисторов, включенных с общим эмиттером (VT1) и общейбазой (VT2). Сопротивление R2 соединяеттранзисторы с источником питания. Сопротивление R1 и стабилитронVD задают смещение на базе транзистора VT2.
Рассмотрим свойства каскадного соединения.
1)В схеме с общим эмиттером присутствует эффектМиллера, то есть входная емкость
/>,
так как K>>1, входная емкость –величина большая, что снижает частоту полюса входной цепи />. В каскодной схеме K=K1=1,
/>,
т. е. входная емкость существенно меньше.
2)Входное сопротивление каскодной схемы не зависит отпараметров выходной цепи, т. е. присутствует развязка по входу и выходу.
3)Транзистор VT2 работает в режиме управлениятоком транзистора VT1.
4)Так как транзистор VT2 включен посхеме с общей базой, его граничная частота
/>,
т. е. наличие второго транзистора не вносит искаженияна высоких частотах.
Каскадная схема используется в дифференциальныхкаскадах. Если эмиттерных резисторов нет (Rэ=0), токоэффициент усиленияK=SRн. В противном случае
/>.
Как обычно, каскадная схема представляет собойсоединение транзисторов, включенных с общим эмиттером (VT1,VT3)и общей базой (VT2,VT4). Дроссели L и резисторы Rэпредставляют собой элементы коррекции.
4. Многокаскадныеусилители. Амплитудно-частотные характеристики многокаскадных усилителей
На практике применяютсямногокаскадные усилители. Для многокаскадного усилителя комплексный коэффициентусиления (передачи) равен произведению комплексных коэффициентов передачиотдельных каскадов: />
Аналогично коэффициентусиления />или />; фазочастотныехарактеристики также суммируются: />
Рассмотрим областьверхних частот. Нормированный коэффициент передачи некорректированногорезисторного каскада
/>,
где />. Для двух каскадов АЧХперемножаются.
Для N каскадов
/>.
Усиление
/>.
Рассмотрим искажения
/>.
Этим искажениямсоответствует частота />, для которойполучим:
/> или /> и/>,
откуда
/>.
Граничная частота
/>.
Пусть постоянная временицепи /> - величина постоянная.Тогда с ростом числа каскадов граничная частота /> уменьшается,полоса сужается.
Так как обычно полосаусилителя задана, то постоянная времени цепи
/>,
т. е. постоянная временикаждого каскада с ростом их числа должна уменьшаться.
Так как />, то для уменьшения /> необходимо снижатьсопротивление нагрузки (так как емкость C0 уменьшить не удастся, это величина постоянная), значитснижается усиление каждого каскада. Сопротивление нагрузки может бытьрассчитано по формуле
/>,
результирующее усиление
/>
Найдем логарифм этоговыражения:
/>
Первое слагаемоеучитывает увеличение коэффициента усиления за счет роста числа каскадов, второеслагаемое – отрицательное, учитывает уменьшение усиления за счет уменьшенияусиления каждого каскада. Как видно из рисунка, при определенных частотахусиление перестает расти с ростом числа каскадов, многокаскадные усилителиприменять в этом случае невыгодно.
5. Переходныехарактеристики многокаскадных усилителей
Изображение переходнойхарактеристики многокаскадного усилителя определяется путем перемноженияизображений переходных характеристик отдельных каскадов:
/>.
Если каскады одинаковы,то
/>.
Для некорректированногорезисторного каскада
/>,
/>, />.
Изображение и оригиналдостаточно сложные, поэтому рассмотрим не сами переходные характеристики, а ихсвойства.
1. Вид переходныххарактеристик. При m=0,35 выброскаждого каскада
/>. Такой же выброс будет у N каскадов и не будет зависеть от ихчисла. С ростом числа каскадов увеличивается задержка и время установления.
Выброс /> называют критическимвыбросом. Если коэффициент коррекции m>0,35, то выброс />,результирующий выброс увеличивается.
2. Таким образом длямонотонных характеристик отдельных каскадов результирующий выброс большевыброса одного каскада и растет с ростом числа каскадов.
/> - время установления.
В случае одинаковыхкаскадов />. В случае переходныххарактеристик с выбросом время установления больше времени установления одногокаскада, с ростом числа каскадов время установления увеличивается. Времяустановления можно определить по той же формуле, но при определенных выбросахоно может быть меньше. Вводится характеристика – коэффициент замедления,показывающий, во сколько увеличивается время установления при удвоении числакаскадов:
/>
3. Для переходныххарактеристик с выбросом результирующий выброс при близких значениях времениустановления определяется приближенно как
/>,
для одинаковых каскадов /> при числе каскадов /> и /> при N>8.
4. Время задержки вмногокаскадном усилителе равно сумме времен задержки каждого каскада.
Рассмотрим областьбольших времен. Как видно из рисунка, с ростом числа каскадов увеличиваетсяспад переходных искажений. Если суммарный спад не превышает 30%, онопределяется как сумма спадов и подъемов отдельных каскадов:
/>
6. Выбор числакаскадов импульсных усилителей
При расчете импульсного усилителяобычно задано усиление />, времяустановления />, выброс />. Для одного каскада
/>, />.
Для некорректированногокаскада (m=0) />,при m=0,35 (выброс />) />. Будем считать, что всекаскады одинаковы, тогда результирующее усиление
/>,
время установления
/>.
Число каскадов найдем, как />. С учетом /> Получим
/>,
где
/>.
Тогда
/>
или
/>.
Данное уравнение решаетсяграфически: строятся графики для левой и правой частей уравнения. Левая частьуравнения является прямой линией, одна точка которой при N=0 соответствует–lgKN, а вторая соответствует нулю при
/>.
Правая часть зависиттолько от N и при N=1 равна нулю. Точка пересечения графиков будет являтьсярешением уравнения. Полученное решение следует округлить до ближайшего целого.