Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Схемотехника аналоговых электронных устройств. Основные понятия, обратные связи, работа усилительного элемента в схеме. Учебное пособие
.pdf
I
E
E
g
R
E
E
U
U
бэ
I
к
0
зи
I
с
I
з0
R
б
R
э
Рис. 6.9. Эквивалентные схемы для анализа нестабильности
режима работы каскада на БТ(
Для БТ (рис. 6.8, а и 6.9, а) при
I
к
или
Для ПТ (рис. 6.8,
I
N
1
Ng
N
2
б и 6.9, б)
R
к
R
з
R
и
б а
а) и ПТ(б)
II
бк
EIRU
бкбббэ
R
EU
кэкэ
к
1
121
б 21 э 11 б
R
gR
1
21 э 11 б
1
gR gR
1
э
, (6.24)
к
21 б
RgR
, (6.23)
, (6.25)
. (6.26)
R
с
EU
зизи
I
с
R
и
, (6.27)
или
EU
сиси
I
с
RR
си
91
, (6.28)
g
g
R
R
I
R
R
21 з
N
1
1
Ng
N
121
2
з 21 и
1
, (6.29)
R
21 и
. (6.30)
gR
Здесь
ки покоя) при комнатной температуре;
, , , , , , IIU U IU U
кб бэ кэс зи си
– координаты рабочей точки (точ-
, gg
21 11
– значение параметров
также при комнатной температуре.
Выражения (6.23)–(6.30) позволяют рассчитать величины внешних
элементов по заданному или выбранному исходному режиму работы и
его стабильности.
6.9. СХЕМА ЭМИТТЕРНОЙ СТАБИЛИЗАЦИИ
Схема эмиттерной стабилизации (рис. 6.10) является самой распространенной схемой. Стабилизация осуществляется за счет последовательной ООС по постоянному
току, возникающей из-за наличия в
схеме резистора
. Если
э
I
дб
то потенциал базы относительно
ER
общего провода
U
б0
пб2
()
RR
б1 б2
жестко фиксирован, т. е. не зависит
от параметров транзистора, а значит, и от температуры. Работой
транзистора управляет напряжение
Рис. 6.10. Схема эмиттерной
стабилизации
бэ б0 э0 б0 кбэ
UIR
б0 кэ
.
()UUUU IIR
Если под действием какого-либо дестабилизирующего фактора
растет ток коллектора, то это приводит к увеличению падения напряжения на резисторе
и к уменьшению напряжения
э
U
, что препят-
бэ
ствует повышению тока коллектора.
,
92
R
E
R
R
R
R
R
R
R
Конденсатор
С
используется для ослабления ООС по переменно-
э
му току, так как при его отсутствии будет уменьшаться коэффициент
усиления каскада.
Для получения расчетных соотношений необходимо привести схе-
му эмиттерной стабилизации к обобщенной схеме (рис. 6.8,
а).
Сравнивая эти две схемы и применяя теорему об эквивалентном
генераторе к участку цепи, подсоединенному к зажиму 1, будем иметь
RR R R R R R R
бб1 б2 б1 б2 ккээ
EEEE
/ ( ; ; ;
ER
пб2
бкпэ
RR
()
б1 б2
)
; ; .
0
Подставляя эти выражения в (6.23), (6.24), (6.25) и (6.26), можно
получить соотношение, связывающее исходный режим работы транзи-
, , и
стора и его нестабильность с
RR R
пб1 б2 э
.
Для повышения стабильности режима необходимо уменьшать ко-
N
эффициенты нестабильности
, так как при этом возрастает глубина ООС. Действительно, при
э
R
э
увеличении
из (6.25) и (6.26) следует, что
на нем будет теряться большая доля напряжения ис-
э
точника питания, а значит, уменьшаться напряжение
точке и допустимая амплитуда сигнала
сопротивления
на стабильность схемы, следует обратить внимание
б
на то, что с уменьшением
N
– возрастать. Физически это объясняется тем, что с уменьшением
2
будет увеличиваться влияние
б
нестабильность коллекторного тока (рис. 6.9,
шением
будет увеличиваться глубина последовательной ООС, что
б
N
и
1
коэффициент
б
. Это можно сделать, увеличив
2
U . Чтобы выяснить влияние
кm
U
и уменьшаться вклад
бэ
1N
, а
1
N
1
0N
. Однако при
2
U
в рабочей
кэ
будет снижаться, а
а). Кроме того, с умень-
I
в
0
способствует повышению стабильности. Чтобы выбрать сопротивление
, найдем с учетом (6.25) и (6.26)
б
/UIRR
ININU hI
к 10 2 бэ 21 0
93
бэ 0 эб
hhRR
11 21 эб
.
R
R
Значит, если
или
/UIRhhR
бэ 0 э 11 21 э
/
UIh
R
э
бэ 021
h
21
1
, (6.31)
,
то для повышения стабильности необходимо уменьшать
и наобо-
б
рот.
Пример 6.1
По известным параметрам транзистора КТ363Б:
973 Ом, 5 В, 3 мА, 0, 7 °С/мВтhUIR
11 кэ к пс
ничным значениям температуры окружающей среды
сmax
50 °С t
определены величины
0,172 / 41,5 10 973
R
э
6
70 1
0,172 В, 41, 5 мкАUI
бэ 0
46 Ом
.
и заданным гра-
сmin
70h
21
10 °Сt
и
Таким образом, для большинства практических схем уменьше-
ние
способствует улучшению их стабильности. Однако это при-
б
водит к падению входного сопротивления каскада и к возрастанию тока делителя, т. е. к ухудшению энергетических показателей каскада.
Данная схема обеспечивает работоспособность каскада в диапазоне
температур 80…100
С.
6.10. СХЕМА КОЛЛЕКТОРНОЙ СТАБИЛИЗАЦИИ
В этой схеме (рис. 6.11) стабилизация осуществляется за счет параллельной ООС по напряжению. Пусть под действием дестабилизирующего фактора возрос ток коллектора, а значит, и ток эмиттера и
уменьшилось напряжение на коллекторе
)(/IUU R
к снижению тока базы
бкэбэб
UEIR
кэ п э к
. Уменьшение же тока базы
, что привело
вызывает снижение тока коллектора. Иными словами, изменение тока
коллектора встречает противодействие со стороны ООС.
,
,
94
IкIбI
I
R
R
R
R
R
R
R
к
б
R
б
U
бэ
E
п
U
кэ
э
Рис. 6.11. Схема коллекторной
стабилизации
Так как через резистор
протекает ток
к
II
, т. е. фактически
бк
эмиттерный ток, то для расчета нестабильности коллекторного тока
можно использовать выражение для эмиттерной стабилизации, заме-
няя в них
э
на
. Однако данная схема обеспечивает меньшую ста-
к
бильность, чем эмиттерная. Это обусловлено большим сопротивлением
. Кроме того, из-за наличия в схеме параллельной ООС по пере-
б
менному току каскад обладает низким входным сопротивлением.
В силу перечисленных причин этот способ стабилизации используется сравнительно редко.
Наиболее эффективна эмиттерно-коллекторная стабилизация, которая из-за сложности (большое число элементов, сравнительно высокое напряжение питания) находит ограниченное применение.
6.11. ЦЕПИ ПИТАНИЯ ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ
6.11.1. ЦЕПИ ПИТАНИЯ С ФИКСАЦИЕЙ НАПРЯЖЕНИЯ НА ЗАТВОРЕ
Для получения требуемого (фиксированного) напряжения на затворе применяют делитель напряжения
Так как ПТ с управляющим
U
ность напряжений
зи
и
U
си
р–n-переходом имеет разную поляр-
, то питание необходимо осуществлять от
з1
и
(рис. 6.12).
з2
двух источников питания. У МДП-транзисторов с индуцированным
95
R
Rз1Rп1Е
Е
E
N
каналом полярность этих напряжений совпадает, поэтому требуется
один источник питания. ПТ со встроенным каналом могут работать с
U
напряжением
падать с полярностью напряжения
0U
.
зи
, полярность которого может совпадать или не сов-
зи
U
. Они могут работать и при
си
з2
п2
с
Рис. 6.12. Схема с фиксацией
напряжения на затворе
Сравнивая схемы на рис 6.12 с обобщенной схемой на рис. 6.8, б и
воспользовавшись выражениями (6.27)–(6.30), получим:
U
п1 си
, (6.32)
I
с
R
с
NgR
121з
N
, (6.34)
221
R
, (6.33)
1
g
з
где
зз1 з2 з1 з2
Значит, для ПТ с управляющим
/( ).RRR R R
IgRI gU
с 21 зз021зи
р–n-переходом
, (6.36)
а для МДП-транзистора
IgU
с 21 зи
96
. (6.37)
R
R
б
R
R
R
R
R
N
R
Таким образом, для повышения стабильности необходимо уменьшать результирующее сопротивление постоянному току в цепи затвора
и при
з
constU
зи
6.11.2. СХЕМЫ ИСТОКОВОЙ СТАБИЛИЗАЦИИ
выбрать ПТ с меньшей крутизной.
Эти схемы (рис. 6.13) обладают лучшей стабильностью, чем схема
на рис. 6.12, так как за счет резистора
имеет место последователь-
и
ная ООС по току (как в схеме с эмиттерной стабилизацией). Для схемы
на рис. 6.13,
а
URI
зи и с
, (6.38)
а для схемы на рис. 6.13,
з
б
Е R
URI
зи и с
R
с
R
и
пз2
RR
з1 з2
Е
п
С
и
. (6.39)
з1
з2
с
и
Е
п
С
и
а
Рис. 6.13. Схемы истоковой стабилизации
Сравнивая схемы истоковой стабилизации с обобщенной схемой на
рис. 6.8,
б, получим
121з
N
2
/NgRF
, (6.40)
g
121
з
, (6.41)
F
97
R
R
R
где
зз1 з2 з1 з2
Для повышения стабильности надо увеличивать
вать глубину ООС и уменьшать
1FgR
RR R R
/)(
– глубина ОС на постоянном токе;
21 и
для схемы на рис. 6.13, б.
, т. е. увеличи-
и
.
з
6.12. ГЕНЕРАТОРЫ СТАБИЛЬНОГО ТОКА
Рассмотренные в предыдущих разделах автоматические способы
стабилизации режима в аналоговых интегральных микросхемах (ИМС)
нежелательны, так как они требуют применения высокоомных резисторов, занимающих большую площадь, и конденсаторов большой емкости, которые невозможно реализовать в интегральном исполнении.
Поэтому в аналоговых ИМС для задания режима и его стабилизации
используется
параметрический метод.
Наиболее распространенными функциональными элементами,
служащими для задания и стабилизации режима в аналоговых ИМС,
являются генераторы стабильного тока (ГСТ). ГСТ должен обеспечивать стабильный ток, не зависящий от параметров цепи (температуры,
изменения напряжения питания и нагрузки), т. е. в идеале он должен
обладать бесконечно большим динамическим (по переменному току)
выходным сопротивлением. ГСТ
широко используются в аналоговых
микросхемах и в качестве активной нагрузки усилительных каскадов.
Для реализации ГСТ в микросхемах обычно используют два и более транзистора, параметры которых идентичны. На рис. 6.14,
а пока-
зана схема ГСТ, которая нашла большое применение в аналоговых
ИМС.
Поскольку транзистор VT1 включен как диод, напряжения база–
эмиттер транзисторов VT1 и VT2 будут совпадать. Так как эти транзи-
100h
сторы – интегральные (имеющие
21
и незначительный разброс
параметров), то отношение их эмиттерных, а значит, и коллекторных
токов будет равно отношению площадей их эмиттерных областей:
IS
э1 э1
ISI
э2 э2 к2
Пренебрегая токами баз и вводя обозначение
/II k
12
. На практике k выбирают в диапазоне 1…5. Таким образом,
I
к1
. (6.42)
98
k
II
к22
, получим
Е
R
I1I
I
Iб1I
I
I
I
R
I
ток
следит за током
2
Поэтому данная схема получила название
Поскольку VT1 используются в диодном включении, ток
I
и точно отображает любое его изменение.
1
токовое зеркало.
I
можно
1
застабилизировать с требуемой точностью путем задания его с помощью внешних элементов: источника питания
и резистора
п
.
1
1
б1
VT
1
2
R
1
VT
б2
2
а б
б2
VT
1
R
1
VT
2
2
R
2
Рис. 6.14. Схемы генераторов стабильного тока:
а – с диодным смещением; б – с резисторным смещением
Из схемы на рис. 6.14, а следует, что
IIII II
к11 б1 б2 б1 б2
пбэ1 пбэ1
))(
RR
11
()()
(Е U Е U
.
При изменении температуры
где
бэ1
2, 2 мВ/°С.U
1 бэ11
Таким образом, подбирая нужное значение
требуемую стабильность
I
, значит, и
1
/IUR
, (6.43)
, можно обеспечить
1
I
. Данная схема позволяет до-
2
стичь температурной стабильности порядка 5 %.
Недостатком схем с диодным смещением является ограниченность
отношения площадей эмиттеров транзисторов
(5)k
. Поэтому при
k > 5 желательно применять схему с резисторным смещением
99
R
(рис. 6.14, б), в которой для фиксации токов используется отношение
сопротивлений, а не площадей эмиттеров.
Пренебрегая током базы VT2, получим равенство
//II RR
21 1 2
. (6.44)
Из (6.44) следует, что отношение токов можно варьировать в широких пределах (до двух порядков) независимо от температуры с
ошибкой до 10 %.
Схема имеет более высокое выходное сопротивление, чем схема на
рис. 6.14,
а, так как за счет резистора
в транзисторе VT2 возникает
2
ООС по току.
Если требуется получить низкое значение тока ГСТ
I
при боль-
2
ших значениях опорного тока, то надо в схеме с резисторным смещением исключить резистор
(0)RR
11
. В этом случае
UUIR
бэ2 бэ122
и если геометрии VT1 и VT2 идентичны, то VT2 будет работать при
более низком токе, чем VT1, т. е.
II
.
21
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Достал И. Операционные усилители: пер. с англ. – М.: Мир, 1982. –
512 с.
Коломбет Е.А. Микроэлектронные средства обработки аналоговых сиг-
2.
налов. – М.: Радио и связь, 1991. – 376 с.
Павлов В.Н. Схемотехника аналоговых электронных устройств: учеб.
3.
пособие для студ. высш. учеб. заведений. – М.: Издательский центр «Академия», 2008. – 288 с.
Павлов В.Н., Ногин В.Н. Схемотехника аналоговых электронных
4.
устройств. – М.: Горячая линия, 2001. – 320 с.
100
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]