- •Содержание
- •1 Биполярные транзисторы
- •1.1 Влияние дестабилизирующих факторов на свойства каскада
- •1.2 Анализ схем простейших усилительных каскадов
- •1.2.1 Каскад со смещением рт от источника тока
- •1.2.2 Каскад со смещением рт от источника напряжения
- •1.2.3 Определение нестабильности положения рт
- •1.3 Типовые схемы резистивных усилительных каскадов
- •1.3.1 Каскад с последовательной оос по току
- •1.3.2 Каскад с параллельной оос по напряжению
- •1.3.3 Сравнение основных типовых каскадов
- •2 Полевые транзисторы
- •2.1 Каскад с общим истоком
- •2.2 Каскад с общим стоком
- •3 Примеры расчета каскадов
- •3.1 Пример расчета усилителя напряжения с буферным каскадом на входе
- •3.1.1 Выбор схемы усилителя
- •3.1.2 Выбор типа транзистора
- •3.1.3 Расчет выходного каскада усилителя
- •3.1.4 Расчет входного каскада усилителя (эмиттерного повторителя)
- •3.2 Упрощенный расчет усилительного каскада
- •4 Активные фильтры
- •4.1 Общие сведения о фильтрах
- •4.2 Передаточная функция фильтра
- •4.3 Виды аппроксимации частотных характеристик
- •4.4 Каскадное проектирование активных фильтров
- •4.5 Выбор элементов активных фильтров
- •4.6 Особенности схем активных фильтров
- •5 Расчёт активных rc-фильтров нижних частот
- •5.1 Фильтр Баттерворта
- •5.2 Фильтр Чебышева
- •5.3 Выбор минимального порядка фильтра
- •5.4 Расчёт фнч второго порядка с мос
- •5.5 Расчёт фнч второго порядка на инун
- •5.6 Расчёт фнч первого порядка
- •6 Расчёт активных rc-фильтров верхних частот
- •6.1 Передаточная функция фвч
- •6.2 Расчёт фвч второго порядка с мос
- •6.3 Расчёт фвч второго порядка на инун
- •6.4 Расчёт фвч первого порядка
- •7 Расчёт полосовых активных rc-фильтров
- •7.1 Передаточная функция пф
- •7.2 Расчёт пф второго порядка с мос
- •7.3 Расчёт пф второго порядка на инун
- •8 Пример расчета активного rc-фильтра
- •8.1 Порядок расчета активных rc-фильтров нч или вч
- •8.2 Порядок расчета активных полосовых rc-фильтров
- •8.3 Пример расчета активного rc-фильтра вч
1.3.3 Сравнение основных типовых каскадов
Анализ основных вариантов схем (рис. 1.10, 1.15, 1.17) позволяет сделать выводы:
несимметричные каскады можно применять только в усилителях переменного напряжения (тока), так как величина приведенного ко входу дрейфа не может быть обеспечена менее Uб-э, реально Uб-э не меньше 50 мВ;
в схеме с эмиттерной стабилизацией можно по отдельности управлять составляющими и . Минимальное значение нестабильности может быть доведено до 2…5%;
основным недостатком схемы с эмиттерной стабилизацией является неполное использование напряжения источника питания. Эквивалентное напряжение тем меньше, чем лучше стабильность положения РТ. Этот недостаток проявляется в трех случаях:
1) при питании от низковольтного источника питания;
2) при необходимости получения выходного сигнала, максимальная амплитуда которого близка к предельно возможной величине 0,5Еп;
3) при больших токах покоя на резисторе Rэ выделяется значительная мощность, что снижает экономичность каскада;
в схемах с коллекторной стабилизацией этот недостаток отсутствует, но проявляется другой, принципиально неустранимый: низкое входное сопротивление (особенно для схемы по рис. 1.17);
базовая схема (рис. 1.15) имеет наибольшую (из всех схем со стабилизацией) нестабильность РТ. Сопротивление Rб, определяющее значение , рассчитывается исходя из заданного положения РТ, поэтому управлять величиной нестабильности в этой схеме нельзя;
в схеме по рис. 1.17 нестабильность положения РТ может быть несколько уменьшена, но достигается это снижением входного сопротивления. Основной и принципиально неустранимой причиной нестабильности схемы является нестабильность напряжения Uб-э, реально достижимые значения нестабильности не менее 10%.
2 Полевые транзисторы
Полевые транзисторы по принципу действия и внутренней структуре делятся на три основные разновидности:
с управляющим p-n-переходом (ПТУП);
со структурой МДП и встроенным каналом;
со структурой МДП и индуцированным каналом.
В усилителях чаще всего применяются ПТУП, как наиболее распространенные.
Главное свойство полевых транзисторов (особенно МДП) заключается в том, что ток затвора Iз очень мал. При температуре 20°С Iз ПТУП не превышает 10-10 А, но зависит от температуры. Для МДП транзисторов Iз = 10-12…10-14 А и практически не зависит от температуры.
Малые значения тока затвора обеспечивают для двух схем включения транзистора – с общим истоком (ОИ) и общим стоком (ОС) – на низких частотах высокое входное сопротивление (до сотен и более МОм), недостижимое для каскадов на биполярных транзисторов. В схеме включения с общим затвором (ОЗ), формально аналогичной схеме ОБ, входным током является ток истока, поэтому такие каскады имеют низкое входное сопротивление, соизмеримое с входным сопротивлением каскада на биполярном транзисторе по схеме с ОЭ.
Приближенное равенство нулю тока затвора значительно упрощает расчет каскадов на полевых транзисторах, как по постоянному, так и переменному току. При расчете усилительных свойств используется только система y-параметров, так как применение системы h-параметров становится невозможным из-за неопределенности параметра .
Так как на низких частотах Iз ≈ 0, то также ∆Iз = 0 и от системы двух уравнений остается только одно:
, (2.1)
где , , – малые переменные составляющие, Ri – дифференциальное сопротивление канала.
Из (2.1) легко определяется важный параметр – статический коэффициент усиления:
. (2.2)
Этот параметр имеет физический смысл: если в цепь стока включить нагрузку в виде генератора стабильного тока (двухполюсник с бесконечно большим сопротивлением для переменного тока), коэффициент усиления по напряжению такого каскада будет максимален и равен µ.
Если нагрузкой полевого транзистора является линейный резистор Rс, то из уравнения:
, (2.3)
следует, что
. (2.4)
Используя последнее выражение совместно с (2.1), найдем:
,
откуда
. (2.5)
Если Rс << Ri, то последнее равенство предельно упрощается:
. (2.6)
В случаях, когда Rс соизмеримо с Ri, выражение для определения коэффициента усиления каскада может быть представлено в двух формах:
1) , (2.7)
где – крутизна характеристики прямой передачи (ХПП) в рабочем режиме (с нагрузкой);
2) . (2.8)
Основными параметрами ПТУП являются:
максимальный ток стока I0, измеренный при uз-и = 0 и фиксированном значении (обычно = 10…15 В);
напряжение отсечки канала U0. Это напряжение есть значение Uз-и, при котором Iс = 0 (практически при Iс = 10 мкА);
максимальная крутизна ХПП Smax, измеряется при Iс = I0.
При определении тока стока Iс как функции от напряжения Uз-и ХПП имеет вид:
. (2.9)
Значение Uз-и можно определить по выражению:
. (2.10)
Значение крутизны при любых значениях Uз-и или тока Iс равно:
. (2.11)
Несмотря на то, что при увеличении Uз-и крутизна уменьшается по линейному закону, усилительные свойства полевого транзистора остаются практически неизменными, так как дифференциальное сопротивление канала Ri увеличивается приблизительно обратно пропорционально степени уменьшения S, в результате чего статический коэффициент усиления остается постоянным и равным:
.
Очень важной особенностью полевых транзисторов является явление самоограничения тока стока при повышенных температурах, исключающее появление эффекта потери тепловой устойчивости. Этот эффект характерен для плохо рассчитанных мощных каскадов на биполярных транзисторах, приводящий к необратимому тепловому пробою транзистора.