2.2. Усилительные каскады и повторители

В АИС наибольшее распространение получили схемы с общим эмиттером (ОЭ) и непосредственными (гальваническими) связями между каскадами. Схемы с общей базой используются значительно реже (на СВЧ) и будут рассмотрены в специальных курсах.

Простейший усилительный каскад с двумя источниками питания показан на рис. 2.12. Схема содержит n–р–n-транзистор и резистор R_к, исключающий протекание переменной составляющей выходного тока через источник питания Е_к (шунтирование нагрузки). Резисторы R_к и R_э задают (совместно с источниками питания) рабочую точку транзистора (значения I_к(0) и U_кэ(0)). Рабочая точка должна соответcтвовать активному режиму работы.

Рис. 2.12

Источник входного сигнала показан в виде генератора напряжения с эдс u_вх и внутренним сопротивлением R_r, которые определя­ются предыдущим усилительным каскадом. Отметим, что источник входного сигнала обязательно должен пропускать постоянную составляющую тока базы. С помощью сопротивления нагрузки R_н отображается входное сопротивление последующего каскада.

Для определения основных параметров усилительного каскада R_вх, K_u, K_i воспользуемся методикой изложенной в [8]. При выводе будем считать, что R_н < R_к. В результате расчета получим R_вх = h₂₁ R_э, K_i = h₂₁, K_u = -R_н/R_э. Если в качестве нагрузки выступает аналогичный усилитель каскад с входным сопротивлением R_вх, то К_u = -h₂₁ R_u / R_вх = -h₂₁. Таким образом, в цепочке одинаковых усилительных каскадов усиление как по току, так и по напряжению определяется параметром h₂₁.

Для построения усилительных каскадов на полевых транзисторах используются транзисторы как с управляющим переходом, так и МДП- транзисторы, работающие в режиме насыщения. В большинстве случаев применяются включения транзисторов с общим истоком (ОИ). Схема с общим затвором используется в СВЧ-диапазоне. Ранее [8] было показано, что коэффициент усиления по напряжению в схеме ОИ определяется как K_u = -SR_н. Крутизна S маломощных полевых транзисторов не велика. Коэффициент усиления в реальных схемах не превышает десяти. Поэтому в аналоговой технике биполярные транзисторы используются чаще, чем полевые. Эти транзисторы применяют в входных каскадах, когда требуется большое входное сопротивление.

Повторителями напряжения называются каскады с коэффициентом усиления по напряжению близким к единице, не изменяющие фазу выходного сигнала и обладающие высоким входным и низким выходным сопротивлениями по сравнению с простейшими усилительными касскадами. Для построения повторителей используют каскады с общим коллектором (эмиттерный повторитель) и с общим стоком (истоковый повторитель). Принципиальная схема эмиттерного повторителя приведена на рис. 2.13.

Рис. 2.13

Из рис. 2.13 следует, что в первом приближении выходное напряжение повторяет входное. При наличии двух источников питания схема повторяет сигналы любой полярности.

 

2.3. Дифференциальные каскады

Дифференциальный каскад – это схема, используемая для усиления разности напряжений двух входных сигналов. В идеальном случае выходной сигнал не зависит от уровня каждого из входных сигналов, а определяется только их разностью.

На рис. 2.14 показана схема ДК на биполярных транзисторах. Схема содержит два плеча, включающих транзисторы VT1 и VТ2 и резисторы  R_к1 = R_к2 и токозадающий резистор R₀. Ток I₀, протекающий через резистор R₀, не должен зависеть от входных сигналов. Для этого сопротивление резистора R₀ выбирается большим или вместо него используется транзисторный генератор тока. В схеме используются два источника питания Е_П1 и Е_П2, вторые выводы которых подключены к общей точке. Наличие двух источников питания позволяет работать с сигналами любой полярности. Если оставить один источник питания, а вторую шину питания подключить к общей точке, возможно усиление сигналов только одной полярности.

 

Рис. 2.14

 В общем случае дифференциальный каскад имеет два входа и два выхода, напряжения на которых U_вх1, U_вх2, U_вх1, U_вх2 отсчитываются от общей точки.

Различают синфазные и дифференциальные входные сигналы. Когда уровни сигналов на обоих входах равны (U_вх1 = U_вх2 = U_вх сф), такие сигналы называют синфазными. Роль синфазных сигналов обычно играют помехи. Если источник сигнала включен между входами ДК, то такой сигнал называют дифференциальным (разностным) U_вх д = U_вх1 –U_вх2. При дифференциальном включении входной сигнал делится пополам между одинаковыми транзисторами VТ1 и VТ2, причем составляющие напряжений на входах ДК относительно общей точки противоположны по знаку, или

    и   .                                                                                           (2.6)

 

Дифференциальный каскад должен эффективно усиливать дифференциальные сигналы и ослаблять синфазные.

Выходное напряжение может сниматься между выходами схемы; тогда оно называется выходным дифференциальным (или двухфазным) напряжением. При этом необходимо, чтобы следующий каскад имел дифференциальный вход. Кроме того, часто используют однофазный выход – снимают выходное напряжение между одним из выходов и общей точкой, при этом половина полезного сигнала, действующего на оставшемся выходе, не используется.

Рассмотрим преобразование синфазного сигнала в ДК. Пусть на входы схемы (рис. 2.14) подано синфазное напряжение (U_вх1= U_вх2= U_вх сф). В качестве выходного сигнала будем рассматривать однофазное напряжение на первом выходе.

Для анализа воспользуемся эквивалентной схемой, приведенной на рис. 2.15, содержащей одну половину ДК. Поскольку через транзистор VT1 протекает половина тока I₀,резистор в эмиттерной цепи имеет сопротивление 2R₀ (второе сопротивление 2R₀ обес­печивает ток второй половины ДК).

Рис. 2.15

Схема на рис. 2.15 является усилительным каскадом с ОЭ, рассмотренным ранее. Воспользуемся формулой для расчета коэффициента усиления по напряжению

 

.                                                                                             (2.7)

 

Из (2.7) видно, что если R₀ >> R_к, то  К_Uсф << 1. Иными словами, увеличивая сопротивление токозадающего резистора R₀, можно уменьшать коэффициент передачи синфазного сигнала до требуемого уровня. Особенно эффективно подавление синфазного сигнала обеспечивается при замене R₀ генератором тока.

Усиление дифференциального сигнала проанализируем с помощью схем (рис. 2.16). На этом рисунке показаны токи, протекающие в ДК под действием дифференциального напряжения U_вх д, В этом случае через резистор R₀ помимо тока I₀ (задаваемого источником Е_п2) протекают одинаковые, но противоположно направленные составляющие токов эмиттеров I_э1д, l_э2д транзисторов VT1 и VТ2. Таким образом, падение напряжения от протекания дифференциальных составляющих токов на резисторе R₀ отсутствует и для дифференциальных сигналов потенциал точки А равен нулю. Следовательно, для дифференциальных сигналов справедлива эк­вивалентная схема (рис. 2.16, б), отличающаяся от схемы на рис. 2.15 отсутствием резистора R₀.

 

Рис. 2.16

 

Определим коэффициент усиления по напряжению для дифференциального сигнала

.                                                                                                 (2.8)

где R_вх = r'_б + _rэ.   (так как через один транзистор протекает ток  ).

Дифференциальные каскады, как правило, работают с малым током I₀ << 1 мА, тогда R_вх ≈ _rэ и

 

.                                                                                                   (2.9)

 

Таким образом, коэффициент усиления для дифференциального сигнала гораздо больше, чем для синфазного и достигает нескольких сотен (тысяч при использовании динамической нагрузки). Отметим, что усиление ДК можно регулировать, изменяя ток I₀, что используется в программируемых операционных усилителях и перемножителях аналоговых сигналов.

Существует много вариантов построения дифференциальных каскадов, для увеличения коэффициента усиления применяют составные транзисторы. Для повышения входного сопротивления используют МДП-транзисторы, а вместо токозадающего резистора используют генератор стабильного тока.

На рис. 2.17 изображен ДК с динамической нагрузкой в виде токового зеркала на транзисторах VТЗ, VT4. Эта схема обладает высоким коэффициентом усиления (К_Uдсоставляет несколько тысяч) и однофазным выходом. Существенно, что в этой схеме сигнал транзистора VT1 не теряется, а с помощью токового зеркала передается в выходную цепь, складываясь с сигналом транзистора VТ2.

Рис. 2.17