1173

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

РЯЗАНСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ РАДИОТЕХНИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ

Исследование транзисторных усилительных каскадов. Симметричные триггеры на транзисторах

Рязань, 1986

Одобрено методическим советом

Рязанского радиотехнического института

5 Сентябри 1986 года

Исследование транзисторных усилительных каскадов. Симметричные триггеры на транзисторах: Методические указания к лабораторным работам /Сост. И.В.Баскакова, Н.А.Кажакин. - Рязань:РРТИ, 1986. - с.: ил.

Предназначены для проведения лабораторного практикума по курсу "Основы теории цепей, электронной и полупроводниковой техники" (Специальность 0648) и содержат описания двух лабораторных работ. Подробно изложена методика лабораторного исследования усилительных каскадов и триггерных схем, приводятся контрольные вопросы и домашние задания для подготовки к лабораторным занятиям.

Рецензенты: кафедра КЭВА Рязанского радиотехнического института (зав. кафедрой В.П.Корячко); В.П.Андреев, канд. техн. наук.

РАБОТА №1

ИССЛЕДОВАНИЕ ТРАНЗИСТОРНЫХ УСИЛИТЕЛЬНЫХ КАСКАДОВ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: исследование характеристик и параметров усилительных каскадов на биполярных и полевых транзисторах.

1.Общая часть

Основными типами усилительных каскадов на биполярных транзис­торах являются каскады c общим эмиттером (0Э), общей базой (ОБ), общим коллектором (OK) (рис. 1, 2,3, a) соответствующие включениям транзистора с ОЭ,ОБ,ОК (рис. 1, 2,3, б). Сопротивление источника вход­ного сигнала U_вх на схемах обозначено R_ист . Представляя транзистор VT в каскадах эквивалентной схемой (рис.4), получим (рис. 5) обоб­щенную эквивалентную схему каскадов, действительную для постоянных составляющих токов и напряжений при любом включении транзистора (ОЭ, ОБ и ОК). На схемах рис.4,5 обозначено: - собственное сопротивление базы (в схеме рис.5 входит в сопротивление R_Б ); VD - p-n-переход эмиттер-база (в схеме рис.5 падение напряжения на эмиттерном переходе отражено генератором ЭДС U ); (или h_21Э по ГОСТ 20003-74) – коэффициент передачи базового тока I_Б ; I = ; (или ) - тепловой ток коллектора в схеме с ОБ; - дифференциальное сопротивление коллекторного перехода (полагается = ).

а) б)

Рис.1. Каскад с ОЭ

а) б)

Рис.2. Каскад с ОБ

а) б)

Рис.3. Каскад с ОК

Рис.4. Эквивалентная схема замещения n-p-n транзистора

Рис.5. Обобщенная эквивалентная схема усилительного каскада

Обобщенная схема (рис. 5) позволяет найти токи и напряжения в каскаде и выбрать рабочую точку транзистора, т.е. совокупность то­ка покоя I_К и напряжения покоя Uк. Расположение рабочей точки на коллекторных характеристиках транзистора для каскадов с ОБ и ОЭ приведено на рис.6. Через точку А проходят [1] обе линии нагрузки: cтатичеcкая под углом и динамическая под углом . Рабочая точка выбирается, исходя из заданных максимальных амплитуд выходного напряжения U_вых и связанного с ним тока I_вых= . Для линейных усилительных каскадов условиям выбора рабочей точки являются неравенства:

( 1)

(2)

где U_Kдоп и P_Kдоп - соответственно допустимые напряжение и мощность.

Токи и напряжения в каскаде согласно схеме (рис.5) определяются [1] выражениями:

и (3)

или (4)

где - суммарная внешняя ЭДС в контуре эмиттер-база; - коэффициент токораспределения, показывающий какая часть тока Iк ответвляется в базу; , причем значение U_ЭБ для кремниевых транзисто­ров обычно принимают равным 0,7 В;

Приведенные соотношения позволяют выбрать рабочую точку тран­зисторного каскада, если известны E_K, E_Э, Е_Б, R_Э, R_Б и R_К, а также параметры транзистора и I_K0 . При этом некоторыми из шести искомых величин заранее задаются, так как они связаны всего двумя уравнениями.

Ток базы I_Б определяется [1] как:

(5)

Выражения (3),(5) служат для расчета цепей смещения.

1.1. Каскад с ОЭ

При подаче на базу n-p-n транзистора каскада с ОЭ (рис.1) мгновенного напряжения U_БЭ с положительной полярностью, полное напряжение на базе увеличивается, в результате чего возрастают токи I_Б , I_К, I_Э. Если под действием входного напряжения ток, например, коллектора, увеличивается, то его постоянная составляющая I_КА алгебраически складывается с переменной i_к (рис.7). Выходное напряжение каскада с ОЭ U_вых, определяемое согласно (4) при как

, (6)

при этом имеет мгновенную полярность, противоположную (рис.7) полярности входного напряжения, т.е. каскад с 0Э является инвертирую­щим. Малосигнальные параметры каскада с 0Э на средних частотах: коэф­фициенты усиления напряжения К_U и тока К_I , R_вх и вы­ходное R_вых сопротивления приведены в таблице 1.

Параметры каскада определены согласно схеме рис.9. Например, коэффициент усиления напряжения К_U, определяемый как отношение напряжения U_вых на нагрузке к ЭДС источника сигнала U_вх, для схемы рис.9 (значениями и на средних частотах пренебрегаем) находится из следующих [1, с .330] соотношений:

а)

б)

Рис.6. Расположение рабочей точки на коллекторных

характеристиках

Рис.7. Временные диаграммы коллекторного тока в каскаде с ОЭ

Рис.8. Частотная зависимость коэффициента усиления тока

транзистора в каскаде с ОЭ

Рис.9. Эквивалентная схема каскада с ОЭ в области верхних частот

Рис.10. Каскад с ОЭ с повышенной стабильностью режима

(7)

где r_Э - сопротивление эмиттерного перехода. В идеальном усилителе напряжения (R_ист =0), работающем в режиме холостого хода (R_H= ), K_H максимален и равен:

(8)

Частотные свойства усилительных каскадов определяются с уче­том влияния межэлектродных емкостей С_ЭБ, С , С_КЭ (см. рис.4) и зависимости от частоты , показанной на рис. 8. Наибольшее вли­яние на работу каскада с 0Э в области верхних частот оказывает ем­кость базо-коллекторного перехода С , а точнее, постоянная времени коллекторной области , равная , так как постоянная времени мала вследствие малости сопротивления r_Э прямосмещенного базо-эмиттерного перехода (рис.9). Точки над обозначениями параметров , С и обозначают их зависи­мости от частоты (и величины ). С учетом рис. 8 и значения постоянная времени каскада с ОЭ примерно равна:

(9)

а частотная характеристика коэффициента усиления напряжения имеет вид:

(10)

где К_U0 - коэффициент усиления напряжения на постоянном токе;

Величины и С определяются по справочным параметрам транзис­тора , и С_БК:

(11)

Сопротивление R_Э (рис.1,5) является сопротивлением отрицательной обратной связи (ООС) по постоянному току. При его увеличении, глубина ООС увеличивается и улучшается температурная и времен­ная стабильности каскада с 0Э (рис.10), но при этом снижается зна­чение К_U. Чтобы повысить значение K_U, резистор R_Э шунтирует­ся конденсатором С_Э . На схеме рис.10 делитель R₁, R₂ задает потенциал базы и тем самым фиксирует потенциал эмиттера, т.е. ток I_Э ; сопротивления R₁, R₂ выбирают из соотношения .

1.2. Каскад с ОБ

В каскаде с ОБ (рис.2) входное напряжение U_вх приложено к точ­кам Э-Б, а усиленное напряжение U_вых измеряется между точками К-Б. В этом каскаде (см. рис.6,а, 5) имеем

Е_ЭБ = Е_Э , R_Б=0 и соответственно R_ЭБ =R_Э и , т.е. каскад с ОБ представляет собой каскад с ОЭ, охваченный 100%-й параллельной ОС по току.

Эквивалентная схема каскада с ОБ показана на рис.11. В каскаде с ОБ усиления тока получить нельзя, так , а коэффициент передача эмиттерного тока меньше единицы. Но за счет соотноше­ния при практически равных Iк и I_Э можно получить усиление мощности с коэффициентом К_P=K_U+K_I , т.е. схема с ОБ обес­печивает усиление напряжения так же, как схема с ОЭ, но в отличие от нее не инвертирует входной сигнал.

Рис.11. Эквивалентная схема каскада с ОБ

1.3. Каскад с ОК

Каскад с ОК (рис.З) с точки зрения режима отличается от каска­да с ОЭ только отсутствием резистора R_K и является каскадом с ОЭ, oxваченным 100%-й последовательной ОС по напряжению. Входное на­пряжение U_вх приложено к точкам Б-К, выходное снимается с точек Э-К. Принципиальная и эквивалентные схемы каскада с ОК в области средних частот показаны на рис.12,а,б. Из рис.12,б можно найти коэффициент передачи напряжения К_U каскадом с ОК по следующим выражениям:

, что при (это условие всегда выполняется) равно: ;

.

Учитывая, что и полагая R_ист<< , получаем:

(11)

что при приближается к единице. Следовательно, каскад с ОК не дает усиления по напряжению и не инвертирует фазу входного сигнала. В этом легко убедиться, если учесть, что напряжение U_БЭ мало меняется при работе каскада. Следовательно, потенциал эмиттера каскада (рис. 12, а) "привязан" к потенциалу базы, отличается от него на величину 0,7 В и повторяет его изменения, поэтому каскад с ОК называется эмиттерным повторителем.

Коэффициент усиления тока K_I определяется по схеме рис. 12,6, переходя на входе к генератору тока I_вх , шунтированному сопротив­лением R_ист , и считая :

(12)

При условиях и

Следовательно, каскад с ОК является усилителем тока и мощности.

Кроме того, вследствие высокого входного сопротивления R_вх , обеспечиваемого каскадом с ОК и равного при значению , доходящему у маломощных транзисторов до 1МОм, и низкого выходного сопротивления R_вых , равного [1] (cм. схему рис.12,6)

составляющего десятки Ом, каскад с ОК применяется в многокаскадных усилителях в качества согласующего и оконечного.

а) б)

Рис.12. Принципиальная и эквивалентная схемы каскада с ОК

Таблица 1

Дифференциальные (малосигнальные) параметры усилительных

каскадов на средних частотах

Параметр	с ОЭ (рис.9)	с ОБ (рис.11)	с ОК (рис.12)
KU
KI
Rвх
Rвых

Повышение входного сопротивления вследствие управления не то­ком, а напряжением обеспечивают каскады [l,6] на полевых транзис­торах с управляющим р -n-переходом (рис.13-15) и транзисторах структуры металл-диэлектрик-полупроводник, включенных по схемам с общим истоком (ОИ), общим стоком (ОС), общим затвором (03). Коэф­фициенты усиления напряжения для каскадов рис.13-15 приведены в таблице 2, где обозначено: - максимальное собственное усиление каскадов; - внутреннее сопротивление униполярного транзистора, определяемое по выходной характеристике как U_СИ , I_C - соответственно на­пряжение сток-исток и ток стока; S - крутизна сток-затворной ха­рактеристики транзистора, т.е. , где U_ЗИ - напряже­ние затвор-исток; S_макс=2I_макс/U_{ЗИ отс}, где I_макс, U_{ЗИ отс} - соответственно максимальный ток стока и напряжение отсечки тран­зистора.

Рис.13. Каскад с ОИ Рис.14. Каскад с ОС Рис.15. Каскад с ОЗ

Таблица 2

Коэффициенты усиления напряжения каскадов на полевых

транзисторах

Параметр	с ОИ	с ОС	с ОЗ
KU

1.4. Дифференциальный каскад

Простейшая схема дифференциального каскада (ДК) показана на рис.16.

Рис.16. Схема дифференциального каскада

Основное свойство ДК состоит в усилении разности (поэтому каскад и называется дифференциальным) входных напряжений с коэффи­циентом K согласно соотношению:

(13)

Для идеально симметричного ДК общий эмиттерный ток I₀ делится поровну между двумя усилительными транзисторами VT1 и VT2, т.е. , и при U_вх1=U_вх2=0

U_вых1=U_вых2 ,

где U_бал- уровень баланса (см. рис.17,а). При появлении в момент t₁ (рис. 17, б) сигнала U_вх1, (U_вх2=0) положительной полярности ток I_K1 увеличивается. Но так как на VT1 и VT2 ток поступает от генерато­ра стабильного тока (ГСТ), роль которого выполняет резистор R_Э, то всегда I_K1+ I_K2= I₀, т.е. при увеличении I_K1 уменьшается I_K2. Соответственно изменяются выходные сигналы U_вых1 и U_вых2 (pис.17,6), причем U_вых1 уменьшается (этот выход ДК является инвертирующим фазу), а U_вых2, увеличивается (неинвертирующий выход). Полный дифференциальный выходной сигнал равен [4]:

U_вых=R_K (I_K1- I_K2), (14)

в предположении R_K1= R_K2= R_K .

Рис.17. Формирование потенциалов на выходе дифференциального

каскада

Симметрия плеч ДК позволяет уменьшить величину температурного приведенного дрейфа напряжения сравнительно с однотактным каскадом. Симметрирование плеч при неидентичности параметров VT1 и VT2, R_K1 и R_K2 выполняется включением в эмиттерные цепи резисторов R₁ , R₂ или потенциометра. Наилучшую симметрию плеч обеспечивает интегральная тех­нология [3,5]

При анализе ДК входные и выходные сигналы разделяются на две составляющие: дифференциальную, или парафазную (ПФ) и синфазную, или средний уровень (СФ). Эти две составляющие выражаются через приращения входных и выходных потенциалов в виде:

(15)

где - соответственно дифференциальный и синфазный входной сигналы;

- дифференциальный и синфазный сигналы;

К_ПФ, К_СФ , К_ПС , К_СП - коэффициенты передачи соответствующих составляющих со входа на выход.

В идеальном (абсолютно симметричном) ДК соблюдается условие:

К_СФ= К_СП= К_ПС=0

Тогда полезная усиленная дифференциальная составляющая входного сигнала равна:

U_выхПФ= К_ПФU_вхПФ (16)

Дифференциальный коэффициент усиления К_ПФ - основной параметр ДК. Его можно найти, учитывая, что усиление каждого плеча ДК такое же, как в обычаем каскаде с ОЭ, а именно согласно (7), (8):

К_ПФ (17)

где полагается R_K1= R_K2= R_K , R₁= R₂= R₀ .

В реальных ДК К_СФ и коэффициент относительного ослабления синфазного сигнала К_ООСС , равный К_ООСС=К_ПФ/К_СФ являются [1] функциями сопротивления R_Э :

(18)

где - алгебраическая сумма относительных разбросов величин , R_K и т.д. Из (18) следует, что резистор R_Э - генератор стабильного тока I₀ - должен иметь как можно большее сопротивление. Тогда общий ток ДК I₀ стабилен и не зависит от уровней U_вх1 и U_вх2 .

Для увеличения Rэ в качестве ГСТ в ДК используется источник тока

на транзисторе (рис.19).

Усовершенствование схем ДК ведется в направлениях увеличения К_ПФ, К_ООСС, уменьшения начального разбаланса входного напряжения (напряжения смещения нуля U_0см, равного U_0СМ = U_ЭБ1 - UЭБ2=0) и его температурного дрейфа , уменьшения среднего входного тока I_вх и его температурного дрейфа .

Напряжение смещения нуля U_0см можно выразить как функцию теп­ловых токов I_Э01 , I_Э02 эмиттерных переходов VT1 и VT2:ъ

U_0см= (19)

где - температурный потенциал.

Дифференцируя (19) по температуре, получим [1] :

(20)

откуда следует, что уменьшение начального напряжения смещения ну­ля U_0см сопровождается уменьшением его температурного дрейфа. Уменьшение U_0см достигается в интегральных схемах ДК расположением VT1 и VT2 резисторов R_К рядом друг с другом на подложке (при этом вероятность различия электрофизических параметров полупровод­ника, а следовательно, и параметров U_ЭБ1, U_ЭБ2, VT1 и VT2 невелика) или различными методами балансировки ДК [3,с.71].

Входными токами ДК являются базовые токи транзисторов VT1 , VT2. Для ДК на кремниевых транзисторах VTl , VT2 (I_Э01 = I_Э02 0) средний входной ток I_{вх ср} равен:

(21)

где - усредненный коэффициент передачи тока.

Разность входных токов ДК:

(22)

зависит от разброса коллекторных токов и коэффициентов . Если принять, что коллекторные токи выровнены тем или иным способом, тo согласно (22) и (21):

(23)

где - усредненный коэффициент передачи тока.

Дифференцируя (21) я (23), -получим температурные дрейфы I_{вх ср} и в виде:

Оба эти температурные дрейфа пропорциональны самим параметрам, откуда следует необходимость схемотехнических усовершенствований ДК для уменьшения I_{вх ср} и , что достигается в схемах ДК, использую­щих в качестве входных транзисторов пары Дарлингтона [4, с.63], транзисторы со сверхвысоким значением (супербета)[5, с.41], а также полевые транзисторы (рис.19).

Для повышения коэффициента усиления К_ПФ согласно (17) требуется, прежде всего увеличить сопротивление коллекторной нагрузки R_К. При использовании обычных резисторов увеличение R_К ведет к повышению падения напряжения I_KR_K , а следовательно, к повышению Е_K . Повтор для увеличения R_К в схемах ДК применяются динамические нагрузки в виде выходных сопротивлений транзисторов, вклю­чение по схеме с ОБ [4,с.65] или, чаще, с ОЭ (рио.19) и образующих каскадные соединения с усилительными транзисторами ДК.