4 семестр (2 курс)лала / ЭП (Электронные приборы) / Техническая электроника 2000 (Ткаченко Ф.А

281

Полевые транзисторы имеют три схемы включения: с общим истоком (ОИ); общим стоком (ОС); общим затвором (ОЗ). Каскад с ОЗ обладает низким входным сопротивлением, в связи с чем используется очень редко.

10.12.1. Усилительный каскад с ОИ

На рис. 10.28,а приведена принципиальная схема каскада с общим истоком. В качестве активного элемента используется полевой транзистор с управляющим p–n переходом или МДП-транзистор со встроенным каналом. Основными элементами усилительного каскада являются: источник питания Uип, транзистор и резистор Rс. Полярность напряжения источника питания Uип определяется типом канала транзистора (для канала n-типа Uип положительно; для канала p-типа Uип отрицательно).

Резистор Rз (рис. 10.28,а) осуществляет гальваническую связь затвора с общей шиной, т.е. обеспечивает в режиме покоя равенство потенциалов затвора и общей шины усилительного каскада. Поэтому потенциал затвора ниже потенциала истока на величину падения напряжения на резисторе Rи от протекания постоянной составляющей тока Iио. В связи с этим напряжение

является отрицательным. Источник входного сигнала Ег через разделительный конденсатор Ср1 подключается ко входу

усилительного каскада, а нагрузка через разделительный конденсатор Ср2 подключается к стоку

транзистора. Цепочка Rи – Си называется звеном автоматического смещения и обеспечивает стабильное отрицательное

напряжение Uзио для режима покоя. Кроме того, конденсатор Си устраняет отрицательную обратную связь по переменному току, и его сопротивление на самой низкой частоте усиливаемого напряжения должно быть во много раз меньше сопротивления резистора Rи. Ёмкость конденсатора Си рассчитывается по формуле

где fнч – самая низкая частота усиливаемого сигнала.

Требуемую величину Rи для заданного тока покоя Icо определяют с помощью сток-затворной вольт-амперной характеристики транзистора. Рабочая точка в режиме покоя обычно выбирается на середине линейного участка стокзатворной характеристики, что обеспечивает минимальные нелинейные искажения. Выбрав положение рабочей точки, находят сопротивление резистора Rи

С помощью Rи осуществляется стабилизация режима покоя. Предположим, что при изменении температуры уменьшился ток Iсо, это приводит к уменьшению падения напряжения на Rи и уменьшению модуля отрицательного напряжения на затворе, а это приводит к возрастанию Iсо. Таким образом стабилизация режима покоя осуществляется за счет того, что Rи создает последовательную отрицательную обратную связь по постоянному току. Кроме того, при воздействии входного сигнала одновременно возникает и отрицательная обратная связь по переменному току, для устранения которой вводят конденсатор Си. Часто при расчете Rи принимает относительно большое значение, что приводит к большому значению модуля отрицательного напряжения на затворе. Для обеспечения необходимого режима покоя в этом случае используют делитель напряжения в цепи затвора (рис. 10.28,б). Напряжение в точке покоя Uзио определяется по формуле

При подаче на вход положительной полуволны входного напряжения Uвх будут возрастать ток стока Iс и падение напряжения на Rс. Напряжение Uси уменьшается, что приводит к формированию отрицательной полуволны выходного напряжения. Полярность входного и выходного напряжений противоположна, схема с ОИ инвертирует входной сигнал.

Для расчета параметров каскада с ОИ по переменному сигналу представим схему усилительного каскада (рис. 10.28,а) эквивалентной схемой

(рис. 10.29).

На средних частотах входное сопротивление каскада с ОИ однозначно определяется величиной Rз и обычно лежит в пределах единиц МОм.

Выходное сопротивление каскада с ОИ определяется сопротивлением параллельно соединенных Ri и Rc

преимуществом усилительных каскадов на полевых транзисторах. Зная, что ток

283

стока является функцией двух переменных Iс = f(Uзи,Uси), найдем изменение

Для получения максимального коэффициента усиления в диапазоне средних частот необходимо обеспечить работу каскада на высокоомную нагрузку и включить в цепи стока резистор Rс с большим сопротивлением.

10.12.2. Усилительный каскад с общим стоком (истоковый повторитель)

Схема усилительного каскада с общим стоком представлена на рис. 10.30. В этом каскаде нагрузочный резистор Rи включен в цепь истока, а

284

сток по переменным составляющим тока и напряжения соединен с общей точкой каскада, т.е. вывод стока является общим для входной и выходной цепей усилительного каскада. Основными элементами каскада являются резистор Rи и транзистор. Выбор и обеспечение режима покоя производится так же, как и в каскаде с ОИ.

Коэффициент усиления по напряжению определяется крутизной транзистора и сопротивлением резистора в цепи истока, и при увеличении произведения SRи стремится к единице. Поэтому в истоковых повторителях стремятся

использовать транзисторы с высоким значением крутизны.

Входное сопротивление истокового повторителя для низких и средних частот, как и в усилительном каскаде с ОИ, определяется величиной Rз и составляет единицы МОм. Выходное сопротивление для каскада с ОС в области средних частот определяется как

Из выражения (10.73) следует, что выходное сопротивление каскада с ОС значительно меньше, чем в каскаде с ОИ, и составляет сотни Ом.

10.13. Усилители постоянного тока

Усилители постоянного тока (УПТ) предназначены для усиления медленно изменяющихся во времени сигналов. Амплитудно-частотная характеристика УПТ изображена на рис. 10.31. Связь источника сигнала со входом усилителя и междукаскадные связи не могут быть осуществлены в УПТ с помощью реактивных элементов – конденсаторов и трансформаторов, а имеют гальваническую связь. Гальванической называют связь, осуществляемую с помо-

285

щью элементов, обладающих проводимостью как на переменном, так и на постоянном токе. Элементами гальванической связи могут быть резисторы, диоды, проводники. Если используются проводники, то гальваническую связь называют непосредственной.

Способность УПТ усиливать медленно изменяющиеся сигналы приводит к тому, что изменения температуры, питающих напряжений и другие медленно изменяющиеся факторы вызывают изменения выходного напряжения. Самопроизвольное изменение выходного

напряжения УПТ при неизменном напряжении входного сигнала называется дрейфом нуля усилителя. Напряжение дрейфа, суммируясь с полезным сигналом на выходе усилителя, приводит к ошибкам в работе исполнительных устройств. Напряжение дрейфа нуля, измеренное на выходах различных усилителей, различно. Оно определяется величиной напряжения дрейфа нуля каждого каскада и коэффициентами усиления каскадов. Различают абсолютный дрейф нуля на выходе усилителя и дрейф, приведенный ко входу усилителя. Абсолютный дрейф нуля представляет собой максимальное изменение выходного напряжения Uвыхдр при короткозамкнутом входе за определенный промежу-

ток времени.

Для удобства сравнения различных усилителей по дрейфу нуля используют его уровень, приведенный ко входу усилителя (приведенный дрейф) Uвхдр = Uвыхдр KU . Величина Uвхдр определяет диапазон возможного изме-

нения входного напряжения Ег усилителя, при котором напряжение дрейфа Uвыхдр составляет незначительную часть полезного выходного сигнала. Вели-

чина Uвхдр определяет чувствительность усилителя. На практике минимальное значение входного сигнала принимают в десятки и сотни раз больше Uвхдр .

Особенностью УПТ является трудность обеспечения параметров режима покоя каскадов. Параметры режима покоя каскада рассчитываются с учетом элементов, относящихся к выходной цепи предыдущего каскада и входной цепи последующего каскада. При выборе схемы каскада особое внимание уделяется обеспечению стабильности параметров режима покоя в отношении влияния всех дестабилизирующих факторов: изменение температуры; изменение напряжения источников питания; изменение параметров окружающей среды (давление, влажность); старение элементов и др.

Основными способами уменьшения дрейфа нуля являются: применение глубоких отрицательных обратных связей; использование термокомпенсирующих элементов (резисторов, диодов, транзисторов); преобразование постоянно-

286

го тока в переменный с последующим его преобразованием в постоянный; применение балансных (мостовых) схем и др.

Принципиальная схема УПТ приведена на рис. 10.32. Усилители постоянного тока обычно бывают многокаскадными, так как в одном каскаде трудно получить необходимое усиление из-за глубокой отрицательной обратной связи. В многокаскадных усилителях удается уменьшить величину приведенного дрейфа. Особенностью этого усилителя является то, что выводы коллектора и базы транзисторов соседних каскадов соединены непосредственно. Резисторы, включенные в цепь эмиттера каждого каскада, обеспечивают внутрикаскадные отрицательные обратные связи по току, кроме того предназначены для создания необходимого напряжения Uбэо в режиме покоя. Этим достигается повышение положительного потенциала на эмиттере каждого транзистора за счет протекания тока эмиттера через Rэ. Таким образом напряжение Uбэо в режиме покоя второго и последующих каскадов будет определяться соответственно.

Задание режима по постоянному току первого каскада УПТ осуществляется аналогично как и для усилителей переменного сигнала.

Часто нагрузка усилителя Rн включается в диагональ моста, образованного элементами выходной цепи оконечного каскада и резисторами R3, R4. Таким образом обеспечивается Uвых = 0 при отсутствии входного сигнала. Резисторы

R3, R4 создают компенсирующее напряжение выходной цепи каскада

Рассмотрим основные показатели усилителя для приращений входного

сигнала, используя выражения, полученные для каскада с ОЭ. Если резисторы делителя напряжения R1 и R2 высокоомны, то входное сопротивление усилителя определяется в основном входным сопротивлением транзистора

287

а коэффициенты усиления по напряжению каскадов определяются следующими выражениями

Из выражений видно, что коэффициенты усиления по напряжению отдельных каскадов обратно пропорциональны сопротивлениям в цепи эмиттера.

Это приводит к уменьшению коэффициентов усиления второго и третьего каскадовзасчетвозрастанияглубины отрицательной обратнойсвязи потоку.

При неизменном сопротивлении резисторов Rэ ( Rэ1 = Rэ2 = Rэ3 ), но при большом токе эмиттеров Iэо2 , Iэо3 коэффициент усиления каскадов будет

уменьшаться, но только за счет того, что необходимо уменьшить сопротивление резисторов Rк2 , Rк3 . Однако в этом случае сопротивления резисторов

Rк2 , Rк3 будут меньше, чем при неизменном режиме покоя, в связи с этим ко-

эффициент усиления каждого последующего каскада будет меньше предыдущего.

Для повышения коэффициента усиления второго и последующих каскадов часто применяют схемотехнические решения, показанные на рис. 10.33. На рис. 10.33,а потенциал эмиттера повышается за счет дополнительного сопротивления Ro и пропускания через Rэ дополнительной составляющей тока Iо. На рис. 10.33,б эта задача решается включением в цепь эмиттера стабилитрона или нескольких прямосмещенных p–n переходов.

Для согласования входного потенциала первого каскада с источником сигнала, часто источник сигнала включается между базой транзистора и средней точкой специального делителя напряжения, образованного резисторами

288

R′коми R′комп′ . Потенциал средней точки делителя должен быть равен потенциалу базы транзистора в режиме покоя.

Многокаскадные УПТ прямого усиления позволяют получить невысокий коэффициент усиления порядка нескольких десятков раз. Получение больших коэффициентов усиления (сотен и тысяч) с помощью таких УПТ невозможно из-за сильного проявления дрейфа усилителя, вызванного нестабильностью напряжения питания и температурной нестабильностью параметров транзисторов.

Кроме этого, УПТ с одним источником питания обладают еще и следующими недостатками: нагрузка включается между коллектором транзистора и средней точкой делителя и не может быть соединена с общей точкой усилителя, имеющей нулевой потенциал; источник входного сигнала так же не соединен с общей точкой усилителя.

289

ГЛАВА 11 ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ И ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ

11.1. Дифференциальные усилители

Наиболее перспективным способом уменьшения дрейфа нуля УПТ является применение дифференциальных усилительных каскадов (ДУ; ДК). Дифференциальным, т.е. разностным, называется усилительный каскад, усиливающий разность двух напряжений. Дифференциальный каскад представляет собой симметричный усилитель параллельного баланса, принципиальная схема которого представлена на рис. 11.1.

Такие усилители просто реализуются в виде монолитных ИМС. Дифференциальный каскад выполняется по принципу сбалансированного моста, два плеча которого образованы резисторами Rкl и Rк2 , а два

других транзисторами VT1 и VT2. Выходное напряжение снимается между коллекторами транзисторов (с диагонали моста) или с коллекторов.

Для питания ДУ обычно используются два источника питания, напряжение которых равны по модулю. Часто такие

источники питания называют источники с расщепленным питанием. Использование источника питания Uип2 снижает потенциал эмиттеров транзисторов VT1 и

VT2 до потенциала земли. Это позволяет подавать сигналы на входы усилителя относительно землибезвведениядополнительных компенсирующих напряжений.

Если схема полностью симметрична, то изменение напряжения питания, синфазно для обоих транзисторов, не нарушает баланса моста и выходное напряжение остается без изменения. Изменение температуры воздействует на токи транзисторов также одинаково (синфазно). В идеальной симметричной схеме ДУ дрейф нуля должен отсутствовать. В реальной схеме ДУ дрейф нуля в 10…100 раз меньше чем в схеме с общим эмиттером.

Если на обоих входах ДУ действуют равные по амплитуде, форме и фазе сигналы, то такие сигналы называют синфазными. Если на входы ДУ подаются сигналы, имеющие равные амплитуды и форму, но противоположные по фазе, то такие сигналы называют дифференциальными.

290

Положительный потенциал источника питания Uип2 , поступающий че-

рез корпус и цепи входных сигналов на базы обоих транзисторов, открывает их. Под действием источника питания Uип1 и при отсутствии входных сигна-

лов в коллекторных цепях транзисторов VT1 и VT2 протекают коллекторные токи Iк1 = Iк2 . Эти токи создают одинаковые падения напряжения на резисто-

рах Rк1 и Rк2 , т.е. Uвых1 = Uвых2 . Если нагрузочное сопротивление включено

между коллекторами транзисторов VT1 и VT2, то выходное напряжение на резисторе нагрузки равно нулю Uвых = Uвых1 − Uвых2 = 0 .

Равенство выходного напряжения нулю при отсутствии входного сигнала называют режимом покоя. В режиме покоя через сопротивление Rэ протекают эмиттерные токи Iэ1 и Iэ2 , создающие на резисторе Rэ падение напря-

жения, направленное встречно напряжению источника питания Uип2 . Постоянные напряжения на входах, задающие режим покоя транзисторов ДУ, равны

Резистор Rэ, включенный в цепь эмиттеров, создает последовательную обратную связь по току, стабилизируя рабочую точку транзисторов. Изменения эмиттерных токов Iэ1 и Iэ2 , вызванные изменением напряжения источника пи-

тания и температуры, вызывают изменение падения напряжения на Rэ, что приводит к изменению напряжения Uбэ, которое в свою очередь стремится возвратить коллекторные токи к исходному состоянию, т.е. стабилизирует схему. Эта стабилизация тем выше, чем выше сопротивление Rэ и идентичность характеристик и параметров транзисторов. Анализ выражения (11.1) показывает, что для сохранения постоянным значение Uбэ, задающее исходную рабочую точку, с увеличением Rэ необходимо увеличивать напряжение источника питания Uип2 . А так как в практических схемах используют двухполярное питание

Uип1 = Uип2 , то значение напряжения питания Uип2 уже определяет значе-

ние Rэ, которое нельзя произвольно увеличивать. Таким образом, величина сопротивления резистора Rэ должна быть небольшой для обеспечения режима покоя и значительно высокой в рабочем режиме. Эта задача решается с помощью генератора стабильного тока, включаемого в цепь эмиттеров транзисторов VT1 и VT2 (рис. 11.2,а).

Под генератором стабильного тока (ГСТ) понимается двухполюсник, сила тока через который почти не зависит от величины приложенного к нему напряжения. При приложении к ГСТ переменного напряжения его сопротивление для переменной составляющей тока будет очень высоким. Генератор стабильного тока, определяющий сумму эмиттерных токов Iэ1 и Iэ2 транзисторов VT1

и VT2, собран на транзисторе VT3 (рис. 11.2,а)