165

Выходное сопротивление.

Выходное сопротивление ДК на несимметричном выходе и при возбуждении его дифференциальным сигналом будет :

.

Сопротивление выхода для синфазного сигнала ввиду наличия глубокой последовательной ООС по току окажется существенно больше Z_ВЫХ(н), поскольку это сопротивление включено параллельно, то его можно не учитывать. На симметричном выходе:.

Дифференциальный каскад на полевом транзисторе-рис.4.29 является аналогом ДК с биполярным транзистором, его коэффициенты передачи, входное и выходное сопротивления могут быть без труда записаны на основе выражений, полученных ранее для ДК с биполярными транзисторами.

К дифференциальным каскадам, используемым в операционных усилителях, помимо значительного подавления синфазной составляющей входных сигналов, предъявляются требования достижения большого коэффициента усиления и входного сопротивления для дифференциального сигнала. Вследствие этого в таких каскадах вместо обычных транзисторов иногда применяют транзисторы с очень тонким базовым слоем (супербета-транзисторы). Для повышения коэффициентаК_о используют также составные транзисторы, включенные по схеме ОК-ОК (схема Дарлингтона) и ОЭ-ОК. Все эти и другие схемотехнические особенности дифференциальных каскадов, а также использование его в качестве многофункционального устройства будут рассмотрены далее в главах, посвященных интегральным схемам и операционным усилителям.

4.5. Каскодная схема

Каскодная схема (КС) представляет собой двухкаскадный усилитель, где первый усилительный элемент включен с общим эмиттером (истоком), а второй, с которого снимается усиленный сигнал, с общей базой (затвором). По отношению к источнику питания усилительные элементы (КС) могут быть включены как последовательно, так и параллельно. Вариант с последовательным соединением приведен на рис.4.33.

VT2

R₁

R₂

R₁

C

Достоинством каскодной схемы является практически полная независимость её входного сопротивления от изменения нагрузки, это влияние в области высоких частот примерно в 100-1000 раз меньше, чем у резисторного каскада. Это свойство каскодной схемы практически устраняет реакцию нагрузки в выходной цепи на входную цепь.Схема имеет примерно такой же коэффициент усиления в области средних частот, как и резисторные каскады и незначительно увеличивает площадь усиления. В схеме каскад с транзистором VT2, включенный с общим эмиттером, нагружен на низкоомную входную цепь транзистораVT1, который включен с общей базой. Вследствие этого каскад на транзистореVT2практически не усиливает напряжение и поэтому имеет малую входную динамическую емкость.

Рис.4.33

U₂

Определим коэффициент передачи напряжения схемы, представив выходные цепи усилительных элементов в виде генераторов напряжения в эквивалентной схеме- рис.4.34. Из рис.4.34 следует, что напряжение управления транзистора VT1-U_У, равно напряжению, развиваемому выходной цепью транзистораVT2, за вычетом падения напряжения на его внутреннем сопротивлении:U_У=μ₂U₁-I R_i(2). Поскольку транзисторVT2в области средних частот изменяет фазу усиливаемого сигнала напо отношению к напряжениюU₁, то управление транзистораVT1 сигналомU_Уоказывается синфазным с управлением транзистораVT2 и поэтому на схеме рис.4.33 напряжения генераторовμ₂U₁иимеют одинаковое направление.

Из рис.4.34 записываем выражение для тока в контуре:

Подставляя сюда U_Y, получим:

Обычно: и, тогда приближенно:, гдеS₀(2)-крутизна транзистораVT2. Таким образом, коэффициент усиления каскодной схемы равен коэффициенту усиления однокаскадного устройства, крутизна которого равна крутизне транзистораVT2, а нагрузкой является сопротивлениеR_H.Коэффициент усиления напряжения, определяемый транзисторомVT2:

Полагая μ₁>>1,μ₂=S₀(2)R_i(2)иR_H<<R_i(1)~R_i(2),последнее выражение приводится к виду:

,

где S₀(1)-крутизна транзистораVT1.

Таким образом, коэффициент передачи напряжения входного каскада с транзистором VT2 каскодной схемы близок к единице. Поэтому входная динамическая емкость такой схемы записывается в виде:

.

Эта емкость оказывается меньше по сравнению с входной динамической емкостью резисторного каскада и практически не отличается от входной емкости транзистора VT2при коротком замыкании его выходной цепи.

4.6. Оконечные каскады

В любом усилительном каскаде мощность сигнала на выходе больше, чем на входе. Однако специфические условия работы оконечных каскадов приводят к тому, что их исследование и расчет оказываются существенно различаются по сравнению с каскадами предварительного усиления. Если положить, что входной сигнал достаточно мал, то величины приращений токов и напряжений во входной и выходной цепи каскада предварительного усиления оказываются существенно меньше их стационарных величин. Удобно ввести относительную меру этих приращений, например, для выходной цепи:

,

которые называют коэффициентами использования усилительных элементов по напряжению и току.

В каскадах предварительного усиления указанные коэффициенты весьма малы, еще меньшим будет их произведение:

, при U₂₀~ E_П,

где - мощность, снимаемая с усилительного элемента при синусоидальном входном сигнале;Р₀– мощность, потребляемая выходной цепью от источника питания. Следовательно, в каскадах предварительного усиления КПД невелик. Для повышения мощностипри выбранном типе усилительного элемента необходимо увеличивать приращение токов и напряжений, т.е. повышать значения коэффициентов. Вследствие нелинейности вольтамперных характеристик усилительных элементов максимальные значенияиограничены. Ограничена, следовательно, и величина максимальной мощности, снимаемой с усилительного элемента.

Каскад, в котором усилительный элемент работает при величинах , близких к предельным и, следовательно, снимаемая с него мощность близка к, называется каскадом усиления мощности или оконечным каскадом.Таким образом, специфика оконечных каскадов связана с работой усилительного элемента, когда используется большая по сравнению с каскадами предварительного усиления часть его выходных вольтамперных характеристик, включая заведомо их нелинейные участки. В этом случае усилительный элемент искажает форму сигнала. Допустимый уровень нелинейных искажений выходного сигнала ограничивает дальнейшее, более полное использование усилительных элементов по мощности. При этом расчет каскада с использованием линейных эквивалентных схем активных элементов дает заведомо неверные результаты. Оконечные каскады исследуют и рассчитывают для области средних частот (средних времен), используя входные и выходные ВАХ усилительных элементов. Исследованию и расчету при этом подлежат основные энергетические показатели каскада, к которым относятся:- мощность, снимаемая с усилительного элемента;- мощность, отдаваемая в нагрузку;- мощность, потребляемая от источника питания;- коэффициенты полезного действия усилительного элемента и каскада;- тепловая мощность рассеяния на выходном электроде усилительного элемента. Для оконечных каскадов с биполярными транзисторами ввиду потребления ими заметной мощности во входной цепи иногда целесообразно использовать дополнительный энергетический показатель – коэффициент усиления номинальной мощности:, где- номинальная мощность, отдаваемая каскадом в нагрузку;- мощность, которую при этом потребляет каскад от источника сигнала. Важным показателем оконечного каскада является также коэффициент нелинейных искажений выходного сигнала -. Сопротивление нагрузкиоконечных каскадов невелико и может составлять единицы и десятки Ом. Непосредственное включение такой нагрузки в выходную цепь транзисторов часто приводит к малой величинеи вследствие этого малой отдаваемой мощности и КПД каскада. Для повышения этих показателей иногда применяют согласующие, понижающие трансформаторы, включаемые между нагрузкой и усилительным элементом. Элементарная теория трансформаторов низкой частоты показывает, что приведенное в первичную цепь сопротивление нагрузки в области средних частот будет, где- коэффициент трансформации;- число витков его вторичной и первичной обмотки. С учетом сопротивлений постоянному току первичнойи вторичнойобмоток уточненное приведенное сопротивлениепервичной обмотки определяется формулой:

(4.23)

Вследствие выделения мощности на сопротивлениях r₁и, не вся снимаемая с выходного электрода транзистора мощностьтрансформаторного каскада поступает в нагрузку, поэтому:

,

где - коэффициент полезного действия трансформатора. Однако применение трансформатора в интегральных схемах нежелательно, т.к. его использование увеличивает габариты, вес и стоимость изделия.

Если усилительный элемент работает в течение полного периода входного сигнала – режим класса А– то, как будет показано ниже, КПД каскада не может превышать 50%, а в действительности имеет много меньшую величину – порядка 5%. Для повышения КПД каскада в этих случаях применяют более экономичные режимы, при которых усилительный элемент работает, например, в течение половины периода входного сигнала – режим класса В и т.п. Для уменьшения возникающих при этом повышенных нелинейных искажений приходится использовать специальные двухтактные схемы. Следует заметить, что двухтактные схемы широко используются в оконечных каскадах, как при непосредственном, так и трансформаторном включении нагрузки, а также при любых режимах работы усилительных элементов.