Учебное пособие 800596

ходное сопротивление источника колебаний.

Эмиттерный ток в режиме короткого замыкания равен

Получается, что выходное сопротивление эмиттерного повторителя

Таким образом, эмиттерный повторитель уменьшает выходное сопротивление источника колебаний в число раз, равное коэффициенту усиления тока транзистора. Если выходное сопротивление Uк очень велико (сравнимо с Rэ∙α), то сопротивление Rэ должно быть учтено, как включенное параллельно найденному Rвых эмиттерного повторителя.

Если сопротивление Uк на входе эмиттерного повторителя

rэ перехода база – эмиттер.

Если требуется преобразовать сопротивление в большей степени, то используют схему Дарлингтона, в которой эмиттерный ток первого транзистора VT1 образует базовый ток второго транзистора VT2. Таким образом, коэффициент усиления тока у этой пары транзисторов равен произведению коэффициентов усиления тока каждого из этих транзисторов в отдельности (рис. 2.59).

Рис. 2.59

173

Схема Дарлингтона дает увеличение коэффициента усиления тока и имеет большое входное сопротивление.

2.4. Истоковый повторитель

Включая нагрузку в цепь истока полевого транзистора получается схема включения с общим стоком или истоковый повторитель (рис. 2.60).

Рис. 2.60

Истоковый повторитель, подобно эмиттерному повторителю, является схемой согласования сопротивлений с коэффициентом усиления напряжения, близким к единице, и с тем дополнительным достоинством, что полевой транзистор по своей природе обладает большим входным сопротивлением.

E2

Рис. 2.61

На рис. 2.61 показана эквивалентная схема истокового повторителя, где приняты во внимание только переменные токи и напряжения. Коэффициент усиления напряжения истокового повторителя чуть-чуть меньше единицы.

174

Из рис. 2.61 получается, что Uвх и Uвых отличаются только на малую величину Uзи, в результате чего коэффициент усиления по напряжению оказывается примерно равным 1.

Поскольку ток затвора пренебрежимо мал, переменный ток стока ic, как известно, равен току истока iи.

Но ток стока ic связан с напряжением затвор-исток Uзи коэффициентом пропорциональности, равным крутизне S:

ic=S∙Uзи, поэтому ic=iи=S∙Uзи.

Согласно закону Ома имеем:

Uвых=Rн∙iн=Rн∙S∙Uзи.

Так как Uзи=Uвх – Uвых, имеем:

Uвых=Rн∙S(Uвх–Uвых).

Выполняя преобразования, получим

Uвых=Rн∙S∙Uвх–Rн∙S∙Uвых,

Uвых(1+Rн∙S)=Rн∙S∙Uвых, и

Ток затвора полевого транзистора пренебрежимо мал, так что весь входной ток iвх течет по резистору в цепи затвора Rз. Поэтому входное сопротивление истокового повторителя равно Rз.

Для большинства полевых транзисторов с p-n переходом величина Rз может доходить до 200 МОм, прежде чем сам ток затвора станет существенным. В случае МОП – транзисторов с их изолированным

затвором можно достичь значений входных сопротивлений вплоть до 1015Ом.

Чтобы найти выходное сопротивление истокового повторителя, мы снова применим все тот же способ его определения путем

175

деления напряжения холостого хода на ток короткого замыкания. Из рис. 2.61 видно, что в режиме холостого хода и при Ки=1 полу-

чается, что Uвых Uвх.

Если замкнуть выход накоротко, то все напряжение Uвх окажется приложенным между затвором и истоком. Следовательно, ток короткого замыкания будет равен:

Если S выражается в миллиамперах на вольт, то Rвых – в килоомах. Результат показывает, что у истокового повторителя, выходное сопротивление не зависит от сопротивления источника сигнала, подключенного ко входу. Например, для типичного значения

крутизны 2 мАВ величина Rвых равна 500 Ом.

Сравнение эмиттерного и истокового повторителей показывает, что первый из них может обеспечить меньшее выходное сопротивление, чем второй. Однако истоковый повторитель является непревзойденным, когда речь идет о сопряжении с источником сигнала с очень большим внутренним сопротивлением.

2.5.Схемотехника усилительных устройств

Обычно усиление сигнала, создаваемое одним каскадом, оказывается недостаточным, поэтому применяют многокаскадные схемы усилителей. Упрощенная структурная схема усилителя приведена на рис. ,

Рис. 2.62

где: ИС – источник сигнала; ВУ – входное и выходное устройства, т.е. входная цепь и схема

входного каскада, и выходная цепь и схема выходного каскада в совокупности, соответственно; КПУ – каскады предварительного усиления; ПОК – предоконечный каскад; ОК – оконечный каскад;

176

Н – нагрузка.

Вход первого каскада является входом усилителя, а выход последнего – выходом усилителя.

Сигнал, усиленный одним каскадом, передается на следующий с помощью межкаскадной связи – непосредственной (гальванической), емкостной и трансформаторной.

Гальваническая связь осуществляется с помощью элементов, проводящих как переменный, так и постоянный ток, например резисторов, диодов, стабилитронов (рис. 2.63а) или непосредствен-

но (рис. 2.63б)

Емкостная или резистивно-емкостная связь осуществляется с помощью конденсаторов (рис. 2.63в) или конденсаторов и резисторов.

Трансформаторная связь осуществляется с помощью трансформатора, который, как и конденсатор, выделяет сигнал из пульсирующего напряжения (рис. 2.63г).

Межкаскадная связь, передающая сигнал в направлении от входа в выходу, называется прямой, а с выхода на вход – обратной (рис. 2.63д). На структурной схеме прямоугольниками обозначены усилительные каскады:

Рис. 2.63

Название каскада определяется видом межкаскадной связи, поскольку элементы связи относят к каскаду, в выходной цепи которого они включены. Если связь гальваническая или резистивноемкостная, то каскад называется резисторным. При трансформаторной связи данного каскада с последующим или с нагрузкой его называют трансформаторным.

177

2.5.1. Каскады предварительного усиления

Каскады предварительного усиления (КПУ) предназначены для усиления напряжения или тока, создаваемых источником сигнала на входе, до величины, необходимой для возбуждения каскадов усиления мощности.

Наиболее важными показателями для КПУ являются коэффициенты напряжения и тока, частотная характеристика и частотные искажения.

Широко распространенными каскадами предварительного усиления являются резисторные каскады на биполярном транзисторе в схеме с общим эмиттером и на полевом транзисторе в схеме с общим истоком, позволяющие получать наибольшее усиление и имеющие большое входное сопротивление, удобное для согласования без потерь в усилении.

Принципиальная схема резисторного каскада на биполярном транзисторе n-p-n с ОЭ показана на рис. 2.64.

Рис. 2.64

Рассмотрим назначение элементов, образующих схему каскада. Резисторы R1, R2, Rэ, Rк и Rф обеспечивают работу транзистора в выбранном режиме по постоянному току и осуществляют его стабилизацию. Емкость конденсатора Сэ выбирают такой, что сопротивление конденсатора Сэ шунтирует резистор Rэ по переменному току, устраняя ООС по переменному току. Цепь Rф Сф выполняет роль развязывающего фильтра в цепи питания, препятствуя попа-

178

данию переменной составляющей коллекторного тока в источник питания. Разделительные конденсаторы Ср1 и Ср2 служат для независимого создания режимов по постоянному току в последовательно включенных каскадах усилителя и связи их между собой по переменному току усиливаемого сигнала. Усиленное напряжение передается в цепь нагрузки RнСн. В качестве нагрузки может выступать последующий усилительный каскад и тогда роль Rн и Сн играют входное сопротивление Rвх и входная емкость Cвх этого каскада.

Достоинство каскада усиления на полевом транзисторе (рис. 2.65), по сравнению с вышерассмотренной схемой, является намного более высокое входное сопротивление.

Рис. 2.65

Назначение элементов в схеме резисторного каскада на полевом транзисторе с управляющим p-n переходом и каналом n-типа с ОИ аналогично схеме с ОЭ (рис. 2.64).

Если в цепи эмиттера включен резистор стабилизации Rэ, не зашунтированный конденсатором Cэ (см. рис. 2.64), то в каскаде помимо обратной связи по постоянному току действует отрицательная обратная связь по току сигнала с последовательной подачей на вход. Это дает стабилизацию коэффициента усиления тока и связанных с ним других показателей каскада, следовательно уменьшается влияние разброса параметров транзистора на работу схемы, уменьшаются нелинейные искажения, увеличивается Rвх каскада, что дает возможность лучше использовать усилительные свойства предыдущего каскада и повысить, получаемое от него, входное напряжение данного транзистора. Однако ООС уменьшает коэффициент усиления данного каскада.

179

Приведенные выкладки справедливы и для схемы с ОИ при резисторе Rн, не зашунтированном конденсатором Cн (см. рис.

2.65).

С помощью эквивалентной схемы, например для резисторного каскада на биполярном транзисторе (рис. 2.66), анализируется работа схемы усилительного каскада по переменному току.

Упрощенная эквивалентная схема резисторного каскада представлена на рис. 2.66.

Рис. 2.66

Из полученной эквивалентной схемы видно, что реактивные элементы Ср2 и Сн, из которых один включен последовательно, а другой параллельно выходу влияют на величину выходного сигнала каждый в своей области частот – нижней, средней, верхней.

В области средних частот (от 300 до 3000 Гц) влиянием реактивных сопротивлений можно пренебреч, т.к. сопротивление большой емкости Ср2 намного меньше Rк и Rн, а сопротивление малой емкости Сн намного больше Rк и Rн, которые эта емкость шунтирует.

Эквивалентная схема для средних частот не содержит реак-

180

сравнению с коэффициентом частотных искажений в области сред-

В области ВЧ влияние оказывает емкость Сн, т.к. по мере повышения частоты ее сопротивление уменьшается, а она шунтирует выход каскада, так что общее сопротивление нагрузки уменьшается. В тоже время сопротивление последовательно включенного конденсатора Ср2 на верхних частотах становится меньше, чем на средних, и его влиянием тем более можно пренебречь.

Эквивалентная схема каскада для области верхних частот (более 3000Гц) представлена на рис. 2.69.

Рис. 2.69

Из схемы следует, что чем выше частота и больше есмкость Сн, тем меньше сопротивление нагрузки, больше ток в цепи и падение напряжения на внутреннем сопротивлении генератора (усилительного элемента – транзистора), а выходное напряжение и коэффициент усиления каскада Кв меньше Кср.

Коэффициент частотных искажений в области верхних частот уве-

Частотная характеристика резисторного каскада приведена на рис. 2.70.

Рис. 2.70

182