14.5. Симметричный широкополосный усилитель

14.5.1. ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ С КАСКОДНОЙ СХЕМОЙ

На рис. 14.6 представлена схема широ­кополосного дифференциального усилите­ля с симметричными входом и выходом. Для предотвращения эффекта Миллера транзисторы обоих плеч дифференциально­го усилителя заменены каскодными схема­ми.

В широкополосных усилителях введе­ние отрицательной обратной связи, охватывающей несколько каскадов, связано с проблемой устойчивости. Однако для обеспечения определенного значения коэф­фициента усиления можно использовать

Рис. 14.6. Дифференциальный усилитель с каскодной схемой.

местную отрицательную обратную связь в отдельных каскадах. Для этой цели в схе­му введены резисторы R_E, с помощью ко­торых реализуется отрицательная обрат­ная связь по току. Она приводит к уменьшению крутизны S входных тран­зисторов:

Отсюда видно, что крутизна тем боль­ше зависит от сопротивления отрицатель­ной обратной связи, чем больше R_E по сравнению с 1/S. Кроме того, при введе­нии обратной связи повышается граничная частота крутизны. Подставив выражение (14.5) в (14.6), получим частотную характе­ристику S':

Рассмотрим числовой пример расчета описанной схемы дифференциального усилителя. Пусть необходимо получить шири­ну полосы, равную 100МГц. Частоту среза выходного фильтра нижних частот f_C вы­бирают примерно равной граничной часто­те fs. При последовательном соединении n фильтров нижних частот результирую­щая граничная частота f_gn приближенно равна

Суммарное значение внутренних емкостей транзистора и паразитных емкостей мон­тажа должно составлять 6пФ. На основа­нии этого определим величину коллектор­ного сопротивления

Чтобы при таком малом коллекторном со­противлении можно было обеспечить за­данный коэффициент усиления по напряже­нию, необходима высокая крутизна, т. е. большой коллекторный ток. Его предель­ное значение определяется рассеиваемой мощностью транзисторов и снижением ча­стоты f_T при увеличении коллекторного то­ка. Выберем I_с=10мА, тогда 1/S =U_T/I_C3 Ом. Для получения сущест­венной обратной связи выберем R_E>>1/S. Для значения R_E, равного 15 Ом, получим

При этом коэффициент усиления по напря­жению для низких частот будет равен

Теперь уже ясно, что с помощью широко­полосного усилительного каскада с отри­цательной обратной связью можно полу­чить лишь достаточно малое усиление по напряжению. Кроме того, следует отме­тить, что полевые транзисторы для усиле­ния напряжения непригодны, поскольку их крутизна слишком мала. Для повышения входного сопротивления дифференциаль­ного усилителя можно использовать поле­вой транзистор в качестве стокового по­вторителя.

Из соотношения (14.8) можно получить необходимое значение граничной частоты fs входных транзисторов:

Следовательно, частота f_Т должна превы­шать 250МГц. Таким частотным диапазо­ном уже обладают низкочастотные транзи­сторы, однако они непригодны для исполь­зования в широкополосных усилителях, поскольку их внутренние емкости слишком велики.

Существуют различные способы расши­рения частотного диапазона усилителей, основанные на введении в схему фильтров верхних частот. Можно, например, исполь­зовать нейтрализацию обратной связи по току, подключив конденсатор между эмиттерными выводами транзисторов T₁ и Т₂. В рассмотренном примере для нижней гра­ничной частоты 100МГц необходимая ем­кость корректирующего конденсатора должна составлять 53пф.

Другой способ состоит в повышении полного коллекторного сопротивления вблизи граничной частоты, что можно осу­ществить, включив последовательно с кол­лекторным сопротивлением соответствую­щую индуктивность. Этот метод называют L-коррекцией. В рассмотренном приме­ре величина индуктивности должна быть порядка 0,3 мкГн.

14.5.2. ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ С ИНВЕРТОРОМ

Схема широкополосного дифферен­циального усилителя, очень похожего на описанный ранее, изображена на рис. 14.7. Входные каскады усилителей идентичны. Для расширения полосы пропускания не­обходимо, чтобы коллекторные потен­циалы входных транзисторов оставались неизменными. Это условие выполняется при использовании отрицательной обрат­ной связи, реализованной с помощью рези­стора R_c во втором дифференциальном ка­скаде на транзисторах Т₃ и T₄. Их базовые выводы являются точкам суммирования, для которых изменения напряжения оказы­ваются достаточно малыми [14.2]. Выход­ное переменное напряжение в схеме равно

Рис. 14.7. Дифференциальный усилитель с ин­вертором.

Резистор обратной связи R_C использует­ся также для усиления напряжения. Резистор R₁ служит для установки коллек­торного потенциала. Выбрав его величину одного порядка с сопротивлением R_C, по­лучим

Обе рассмотренные схемы могут при­меняться в качестве усилителей постоянно­го напряжения в широкополосных осцил­лографах. При использовании в схеме усилителей транзисторов с полосой пропу­скания порядка нескольких гигагерц и со­ответствующем расчете схемы может быть получена полоса частот, превышающая 500МГц [14.3].

14.5.3. ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ С КОМПЛЕМЕНТАРНОЙ КАСКОДНОЙ СХЕМОЙ

Как мы уже видели, один каскад широ­кополосного усилителя может обеспечить коэффициент усиления, немного превы­шающий 10. Поэтому приходится соеди­нять последовательно большое число ка­скадов. Поскольку такие каскады оказы­ваются связанными по постоянному напря­жению, возникает проблема несоответ­ствия потенциалов покоя входов и выхо­дов соединяемых каскадов. Это приводит к последовательному возрастанию потен­циалов покоя каждого последующего ка­скада, что существенно ограничивает воз­можное число соединяемых каскадов.

Рис. 14.8. Дифференциальный усилитель с комплиментарной. каскодной схемой.

Подобный недостаток может быть устранен, если в выходном каскаде каскодной схемы дифференциального усилителя (рис. 14.6) применять р-п-р-транзистор (рис. 14.8). Входной и выходной потен­циалы можно выбрать равными нулю.

Как было показано в разд. 14.5.1, гра­ничная частота схемы определяется гра­ничной частотой крутизны fs входного транзистора, охваченного отрицательной обратной связью по току, тогда как выход­ной каскад имеет существенно большую граничную частоту f_f_T. Следовательно, во втором каскаде рассматриваемой схемы дифференциального усилителя (рис. 14.8) можно использовать р-n-р-транзистор, как правило, с меньшей граничной частотой по сравнению с граничной частотой n-р-n-транзистора.

Потенциал базы V_B второго каскада определяет потенциал коллекторов входно­го дифференциального усилителя в со­ответствии с соотношением Vc₁=V_B+0,7В. При этом через резистор R, течет постоянный ток, равный

При увеличении коллекторного тока I_C1 коллекторный ток I_C3 уменьшается. Таким образом, справедливо следующее соотно­шение для коллекторных токов:

Это равенство, за исключением знака, выполняется и в обычной каскодной схеме.

Сопротивление R₂ рассчитывают так, чтобы при заданном коллекторном токе потенциал покоя на выходе был равен ну­лю. Для этого сопротивление R₂ должно иметь значительно большее значение, чем это допустимо с точки зрения ширины по­лосы. Поэтому предполагается, что сопро­тивление R_С можно выбирать свободно, поскольку на нем отсутствует падение по­стоянного напряжения. Для коэффициента усиления по напряжению, как и в схеме на рис. 14.6. справедливо соотношение

14.5.4. ДВУХТАКТНЫЙ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ

В описанных ранее схемах широкопо­лосных усилителей при работе в режиме большого сигнала передний и задний фронты выходных сигналов имеют различ­ную крутизну. Это связано с тем, что нара­стание тока в транзисторах, как правило, происходит быстрее, чем спад. Для получе­ния одинаковой крутизны фронтов сигнала можно использовать двухтактный режим работы, при котором усилитель состоит из противоположно включенных транзисторов. При этом положительный и отрица­тельный фронты сигнала формируются в различных плечах усилителя.

Рис. 14.9. Двухтактный дифференциальный уси­литель.

Для построения такого усилителя необ­ходимо дополнять схему усилителя, изображенного на рис. 14.8, симметричным каскадом на дополнительных транзисто­рах, как показано на рис. 14.9.

В режиме покоя через транзисторы Tз и Tз^/ течет одинаковый ток, поэтому потенциал на выходе равен нулю. При положи­тельной разности сигналов U_D=U_e1-U_e2 коллекторный ток транзистора Т₃ полу­чает приращение U_DS', а ток I_C3^/ уменьшает­ся на такую же величину. В этом случае че­рез сопротивление R_c протекает раз­ностный ток Ic₃-Iсз. При этом усиление разностного сигнала равно

где S' = 1/(Re + 1/S) — уменьшенная крутизна входных транзисторов.

Как и в предыдущей схеме, на резисто­ре rc нет падения постоянного напряже­ния. Поэтому номинал этого резистора можно выбирать, исходя из динамических соображений.

Если дополнительно необходимо полу­чить симметричное относительно Ua вы­ходное напряжение, можно дополнить схе­му вторым выходным каскадом, подклю­ченным к коллекторам транзисторов T₁ и T`_1.