Учебное пособие «Микросхемотехника Аналоговая микросхемотехника»

ных повторителях, источниках тока и в качестве активной нагрузки, но не в качестве основных усилительных элементов.

Входное напряжение усилителя, как известно, зависит от выбора рабочей точки транзисторов первого каскада, а следовательно, и от коллекторного напряжения транзисторов. Даже при среднем значении напряжения источника в коллекторной цепи и при непосредственной связи между каскадами возникают определенные проблемы, затрудняющие обеспечение нормального рабочего режима транзисторов в последующих каскадах. Включение резистора в цепь эмиттера транзисторов для согласования каскадов по постоянному току настолько сильно снижает коэффициент усиления, что этот метод в ИМС не находит практического применения.

В ИМС проблема согласования решается путем применения специальных каскадов сдвига уровня по постоянному току. Одна из простейших схем такого рода представлена на рисунке 2.39.

UИП

Вх VT1

Вых

R4

VT2

VT3 R2

R3

UИП

Рисунок 2.39 — Каскад сдвига потенциального уровня на эмиттерном повторителе

Это эмиттерный повторитель на транзисторе VT1. Уровень постоянной составляющей сдвинут на величину Iэ1R1 Uбэ по

– 81 –

сравнению с значением на входе. Благодаря постоянству тока Iэ1

эмиттера транзистора VT1 уровень постоянной составляющей на выходе каскада практически не меняется. Ток Iэ1 задается при

помощи источника стабилизированного тока на транзисторах VT2

иVT3, последний из которых применяется в диодном включении. Такой каскад сдвига потенциального уровня незначительно ослабляет переменный сигнал, так как выходное сопротивление источника тока на транзисторе VT2 значительно больше сопротивления резистора сдвига R1.

Вподобном виде каскад в ИМС применяется редко, поскольку его выходное сопротивление оказывается значительным (выходное сопротивление каскада определяется сопротивлением резистора R1, которое из условий согласования приходится выбирать достаточно большим).

Исключить ослабление переменного сигнала при работе на низкоомную нагрузку и уменьшить выходное сопротивление каскада удается введением развязки — дополнительного эмиттерного повторителя. На рисунке 2.40 приведена схема сдвига потенциального уровня с дополнительным эмиттерным повторителем на выходе. Чтобы уменьшить искажения высокочастотных сигналов

иимпульсов с малым временем фронта и среза, резистор R1 шунтируется конденсатором C1, емкость которого определяется из условия коррекции по формуле

C1 4 4 Ck 4R4 ,

R1

где 4 — коэффициент передачи тока базы транзистора VT4;4 — среднее время пролета носителей через базу; Ck 4 — емкость

коллекторного перехода транзистора VT4.

Рассмотренные схемы представляют собой повторители напряжения, у которых коэффициент передачи по напряжению не более единицы. Для повышения коэффициента передачи каскада сдвига уровня в него вводится положительная обратная связь (рисунок 2.41,а) при помощи токового повторителя на транзисторе VT2. На рисунке 2.41,б приведена упрощенная схема замещения по переменному току.

– 82 –

В схеме на рисунке 2.41,б повторитель напряжения на транзисторе VT1 заменен эквивалентным источником напряжения Uвх

(его выходным сопротивлением по сравнению с сопротивлением резистора R1 можно пренебречь). Токовый повторитель на транзисторе VT2 в цепи обратной связи представлен в виде двух источников тока ik2 и iэ2 .

UИП

UИП

Рисунок 2.40 — Каскад сдвига потенциального уровня с дополнительным эмиттерным повторителем на выходе

Значение выходного напряжения можно определить при помощи схемы на рисунке 2.41,б, из которой следует, что

ответственно коэффициент передачи по напряжению и выходное

– 83 –

сопротивление повторителя на транзисторе VT3 без учета влияния положительной обратной связи.

UИП

Рисунок 2.41 — Каскад сдвига уровня с положительной обратной связью: а — схема каскада; б — схема замещения

Можно показать, что значения токов ik2 и iэ2 определяются выражениями:

где и R3R3R4.

– 84 –

Подставив выражения для токов ik 2 и iэ2 в соотношение

(2.68), получим

Uвых KFп3 Uвх,

откуда коэффициент усиления каскада

глубина положительной обратной связи.

Из выражения (2.69) следует, что введение обратной связи способствует увеличению коэффициента усиления каскада сдвига уровня. Однако обратная связь приводит к увеличению выходного сопротивления каскада

что ухудшает его нагрузочную способность.

Недостатком каскада является также сужение полосы пропускания в области верхних частот, и в особенности снижение степени его устойчивости.

2.6. Ç˚ıÓ‰Ì˚ ͇Ò͇‰˚

Выходной каскад интегрального усилителя должен иметь малое выходное сопротивление, малые нелинейные искажения, способность обеспечивать высокие уровни напряжения, тока или мощности.

Из трех основных схем включения транзистора (с общим эмиттером, общим коллектором и общей базой) схема с общим

– 85 –

коллектором (ОК) обеспечивает наименьшее выходное сопротивление, а также относительно малые нелинейные искажения. Простейшая схема выходного каскада на транзисторе при включении по схеме с ОК показана на рисунке 2.42,а. Если схема предназначена для использования в качестве каскада с непосредственной связью, то напряжение на базе транзистора VT1 обычно задается таким, чтобы напряжение на эмиттере было равно нулю. При этом

U

ток покоя Iэ ИП . Если выходное напряжение положительное,

Rэ

ток транзистора составит

Из выражения (2.70) видно, что единственным элементом, практически ограничивающим ток транзистора, а следовательно, и допустимый размах напряжения, является сопротивление нагрузки Rн.

Рисунок 2.42 — Выходные каскады на транзисторах при включении по схеме с общим коллектором

– 86 –

Таким образом, напряжение Uвых.max может быть очень близким к напряжению питания UИП. Если выходное напряжение отрицательно, ток транзистора уменьшается до

и ограничивается током покоя эмиттера. В предельном случае, когда Iэ 0, ток покоя эмиттера

откуда максимальная амплитуда отрицательного напряжения

В случае синусоидального управляющего сигнала максимально возможная выходная мощность и потребляемая мощность соответственно запишутся

откуда коэффициент полезного действия может быть найден как

– 87 –

Вследствие того что с точки зрения допустимых размахов выходных напряжений схема асимметрична, а ее коэффициент полезного действия невелик, использование простой схемы с ОК (см. рисунок 2.42,а) ограничено. Размах напряжений можно симметрировать, а к.п.д. улучшить путем введения резистора

U

R1 ИП и замены эмиттерного резистора источником тока, как

Rэ

это показано на рисунке 2.42,б.

В интегральных усилителях обычно используется другой вариант базовой схемы с ОК (рисунок 2.43). Здесь транзисторы VT1 и VT2 являются усилителями с положительной обратной связью, при этом транзистор VT1 управляется от источника постоянного тока, задающего на базу напряжения U А.

ИП

Рисунок 2.43 — Выходной каскад на транзисторе при включении по схеме с общим коллектором с положительной обратной связью

Если Uбэ1 Uбэ2 Uбэ, то входное и выходное напряжения связаны соотношением

– 88 –

Тогда коэффициент усиления по напряжению можно записать в виде

Дополнительное свойство схемы заключается в возможности смещения уровня напряжения на величину

Вследствие наличия положительной обратной связи входное сопротивление становится отрицательным:

Поэтому предоконечный каскад всегда должен быть источником напряжения с малым выходным сопротивлением, в частности эмиттерным повторителем.

Симметричный размах и малые искажения выходного сигнала можно обеспечить в двухтактных выходных каскадах. На рисун-

ке 2.44 показана схема выходного каскада класса А, построенного на n-p-n-транзисторах.

Транзисторы VT1 и VT2 управляются транзистором VT4. Транзисторы VT2 и VT3 используются в качестве источника тока, коэффициент передачи которого зависит от отношения активных площадей этих транзисторов:

B2 S2 . S 3

– 89 –

Коллекторный ток транзистора VT1 уменьшается, а транзистора VT2 возрастает с увеличением входного напряжения. Максимальные токи транзисторов VT2 и VT4 соответствуют значениям:

Поскольку каскад работает в режиме класса А, потребляемая на холостом ходу мощность довольно велика. Если входное напряжение уменьшается, токи транзисторов VT2 и VT4 также уменьшаются, а ток транзистора VT1 увеличивается.

UИП

Rк

VT1

Uвх VT4 Uвых

VT2 Rн

VT3

UИП

Рисунок 2.44 — Двухтактный выходной каскад на транзисторах, работающих в режиме А

– 90 –