1.3.4 Составные транзисторы. Каскодная схема.

Составной транзистор. В качестве усилительного элемента может быть применён не только один транзистор, но и комбинация из двух или больше транзисторов. Такая комбинация называется составной транзистор. Поскольку составной транзистор рассматривается как единый УЭ, он имеет три электрода, эквивалентные базе, эмиттеру и коллектору обычного транзистора. Составной транзистор обладает свойствами, которые получить в обычных транзисторах либо трудно, либо практически невозможно. Наиболее часто составной транзистор представляет со­бой комбинацию из двух транзисторов с непосредственной связью меж­ду ними. Иногда это не только каскадно-соединенные транзисторы, но и комбинации из транзисторов и резисторов, включенных в цепь базы и эмиттера.

Рисунок 1.35 Схемы составных транзисторов

В настоящее время составные транзисторы широко исполь­зуются в усилительной технике: в аналоговых интегральных схемах, в современных усилителях с бестрансформаторным двухтактным вы­ходом, в эмиттерных повторителях с большими выходными токами и т. д. Составные транзисторы целесообразно использовать и в том случае, когда для конкретного усилителя не удается подобрать тран­зисторы с нужными параметрами, выпускаемые промышленностью.

Пара Дарлингтона. Схемы наиболее часто применяемых составных транзисторов показаны па рис, 1.35. Наибольшее распространение по­лучила схема рис. 3.6, а, известная в литературе под названием схемы (или пары) Дарлингтона.

Пару Дарлингтона можно включать по схеме с ОЭ, (ОК или ОБ, ис­пользуя при этом транзисторы р-п-р пли п-р-п типа. Наибольший эф­фект дает включение составного транзистора по схеме с ОЭ и ОК; в схеме с ОБ усиление пары Дарлингтона мало отличается от усиле­ния обычного транзистора. Действительно, из рис.1.35а следует

, 3.1)

где — коэффициент усиления по току схемы с ОЭ первого и второго транзисторов соответственно. Тогда эквивалентный коэффициент усиления по току пары Дарлингтона

. (3.2)

Из (3.2) следует, что эквивалентный коэффициент усиления по ток у (Дарлингтона при включении ее по схеме с ОЭ практически равен произведению коэффициентов усиления транзисторов и . Но если и имеют значения 50—100, то =(0,25—1) .

Аналогично можно показать, что при включении пары Дарлингтона по схемесОБ, результирующий коэффициент усиления по току

. (3.3)

Если транзисторы в паре Дарлингтона одинаковы, то из (3.3) следует что . Транзисторы в паре Дарлингтона работают в разных режимах; ток превышает ток примерно в . Поскольку коэффициент усиления сильно зависит от режима работы транзистора, а транзистор V2 (рис.3.6а) обычно работает при нормальном эмиттерном токе, то коэффициент усиления может быть существенно ниже .Это приведет тому, что эквивалентный коэффициент усиления пары Дарлингтона будет меньше по сравнению со значением, определяемым (3.2). Для выравнивания токов и параллельно эмиттерному переходу транзистора в пары Дарлингтона включают резистор, однако это несколько снижает эквивалентное усиление.

Рисунок 1.36 Каскодная схема

Граничная частота составного транзистора при включении его в схемy с ОБ несколько превышает граничную частоту наиболее высоко-частотного из примененных транзисторов; для схем с ОЭ и ОК граничная частота оказывается несколько ниже граничной частоты наиболее низкочастотного из примененных транзисторов. Входное сопротивление составного транзистора в схемах с ОЭ и ОК при невысоком сопротивлении нагрузки больше, чем у отдельных транзисторов.

На рис. 1.35бпоказана схема ещё одного составного транзистора с разными типами проводимостей р-п-р и п-р-п. Как следует из направлений результирующих токов, показанных на рис. 1.35бэтотсоставной транзистор р-п-р типа. Его коэффициент усиления по току т. е. практически равен эквивалентному коэффициенту усиления по току пары Дарлингтона.

Каскодная схема. Вариантом составного транзистора является каскадная схема, представляющая собой последовательное включение по переменному току двух транзисторов (рис. 1.36). Входной транзистор V1 включён по схеме с ОЭ, выходной — по схеме с ОБ. Выходной ток та­ре составного транзистора

.

Тогда эквивалентный коэффициент усиления по току . Следовательно, коэффициент усиления эмиттерного тока при каскодном соединении мало отличается от соответствующего коэффициента усиления одного транзистора V1. Входное сопротивление каскодного усилителя определяется входным сопротивлением транзистора V1 и не зависит от сопротивления нагрузки; частота верхнего среза зависит от параметра транзистора V1 и сопротивления источника сигнала. Таким образом, каскодная схема по сравнению с обычным усилительным каскадом по схеме с ОЭ не даёт выигрыша по коэффициенту усиления и по входному и выходному сопротивлениям. Однако каскодный усилитель обладает важнейшим преимуществом – слабой связью между выходом и входом такого составного транзистора. Известно, что наличие в обычном транзисторе емкости С_к и сопротивления r_к между коллектором и базой приводит к появлению обратной свя­зи между выходом и входом транзистора, что вызывает ряд неприятных последствий в работе усилителя. Так, при определенных условиях это может вызвать самовозбуждение усилителя; такая обратная связь увеличивает входную емкость каскада, а следовательно, ухудшает его частотную характеристику.

1. б)

Рисунок 1.37

Хорошая развязка выхода и входа в каскодном усилителе объясня­ется тем, что нагрузкой транзистора V1 является малое входное со­противление транзистора V2, включенного по схеме с ОБ, т, е. тран­зистор V1 каскодного усилителя работает практически в режиме ко­роткого замыкания коллекторной цепи. При этом коэффициент усиле­ния по напряжению транзистора мал, а следовательно, мало и напряжение обратной связи с выхода транзистора V1 на его вход. С другой стороны, ёмкость коллекторного перехода мало влияет на входное напряжение V2, так как база этого транзистора по высокой частоте замкнута на землю. Всё это резко уменьшает обратную связь между выходом и входом, повышает устойчивость усилителя. Помимо этого, в каскодном усилителе нелинейные искажения меньше, чем в обычном усилителе, собранном по схеме с ОЭ. Благодаря отмеченным особенностям работы каскодный усилитель нашёл широкое применение, особенно в резонансных каскадах. Каскодный усилитель выполняется и в микросхемных вариантах. Например, микросхема К118УН2 (рис. 1.37а) состоит из трех транзисторов, два из которых V2 иV3 образуют каскодный усилитель ОЭ—ОБ. Третий транзистор V1 служит для создания необходимого режима работы транзисторов по постоянному току, он включен по схеме с ОЭ и охвачен обратной связью по напряжению че­рез резистор RL. Вывод 3 можно использовать для подачи сигнала, ес­ли усилитель выполняется только на транзисторах V2 и V3. Подклю­чением к выводу 13 конденсатора большой емкости обеспечивается за­земление по переменному току базы транзистора V2. Микросхема может использоваться как с внутренней нагрузкой (резистор R5), так и с раз­личными по характеру внешними нагрузками, включаемыми между вы­водами 7 и 10, При подаче сигнала на вывод 1 транзистора V1 обеспе­чивается его дополнительное усиление.

Принципиальная схема каскада усиления промежуточной частоты на микросхеме К118УН2 приведена на рис. 1.37б. Нагрузкой каскад­ного усилителя является избирательная система C5L2. Недостатком каскодных схем с последовательным соединением транзисторов явля­ется необходимость более высоких напряжений источников питания по сравнению с обычным каскадом.