10(2) Усилительные каскады с динамической нагрузкой и с каскодным включением транзисторов

Характерной особенностью усилительных каскадов с ди­намической нагрузкой является то, что в качестве коллекторного сопротивления включают дополнительный транзистор

Рис. 4.33. Схема каскада ОЭ с динамической нагрузкой (а); входные характеристики транзистора VT2 (б); экви­валентная схема каскада для переменного тока в области средних частот (в)

или группу транзисторов. Эти дополнительные транзисторы выполняют роль источников тока с высоким дифференциальным сопротивлением. Поэтому введение их позволяет увеличить коэффициент усиления не нарушая статического режима работы каскада.

Схема усилительного каскада с динамической нагрузкой в коллекторной цепи приведена на рис. 4.33, а. В ней транзистор VT2 выполняет роль сопротивления R_K в коллекторной цепи обычного каскада с ОЭ. Очевидно, что введение транзистора изменяет в общем случае и режим каскада по постоянному току. Поэтому при такой схеме включения возникает ряд вопросов обеспечения необходимого статического режима работы каскада.

Для выявления этих особенностей предположим, что мы выбрали ток покоя транзистора /_К01 и падение напряжения на нем U_кэо. При заданном значении R_э это обеспечивается выбором резисторов делителя R₁ и R₂. Тогда напряжение на коллек­торном переходе транзистора VT1: U_KO1 = U_KЭO1+I_KO1R_э.

Следовательно, на транзисторе VT2 должно падать напряжение

при токе транзистора /_К02равном /_К01. Используя выходную характеристику транзистора VT2 (рис. 4.33, б), можно найти параметры генератора тока, обеспечивающего ток транзистора /_К01=/_К02. при заданном U_KЭO2. Если транзистор VT2 работает на горизонтальном участке характеристики, где ток транзистора /_К2 мало зависит от напряжения U_КЭ2, то /_Бо2/_К02/h_21э2=/_К01/h_21э1

При подаче на базу транзистора VT1 переменного напряже­ния ток транзистора VT2 практически не меняется. Поэтому для приращений тока транзистор VT2 можно рассматривать как сопротивление, значение которого равно дифференциаль­ному сопротивлению запертого коллекторного перехода r*_кдиф2

Эквивалентная схема каскада имеет вид, показанный на рис. 4.33, в. Выходное сопротивление транзистора VT1 r*_кдиф1 на один-два порядка меньше r_кдиф2. Поэтому r_кдиф2 можно пренеб­речь. Коэффициент усиления по напряжению

Из (4.189) видно, что если R_H→∞, то усиление каскада с динамической нагрузкой по сравнению с каскадом с ОЭ тем выше, чем больше г*_диф1 по сравнению с R_к.

Таким образом, включение транзистора VT2, работающего в режиме генератора заданного тока, эквивалентно увеличению сопротивления коллекторной нагрузки каскада до значения r_кдиф2.

При необходимости расширить полосу пропускания в область высоких частот и иметь при этом большой коэффициент усиления используют каскодные усилительные каскады (рис. 4.34, а). В них транзистор VT1 включен по схеме с ОЭ, а транзистор VT2 — по схеме с ОБ. Такое включение обес­печивает уменьшение емкости выходной цепи до С_к и увеличе­ние выходного сопротивления транзистора VT2 до r_к, что

Рис. 4.34. Схема каскодного каскада, на транзисторах, включенных с ОЭ и ОБ (а) и его эквивалентная схема для переменного тока (б); схема дифференциального каскада с динамической нагрузкой (в) и его упрощенная схема после эквивалентных преобразований (г)

характерно для схемы с ОБ. Ток коллекторов транзисторов VT2 и VT1 ориентировочно в h_2lэ раз больше входного тока, как и в усилительных каскадах с ОЭ. При одинаковых значениях сопротивления R_K у каскодного усилительного ка­скада и каскада с ОЭ ширина полосы пропускания у первого будет значительно больше, так как постоянная времени его выходной цепи τ = R_KC_K в 1+ h*_2lэ раз меньше соответствующей постоянной времени у каскада с ОЭ: τ = R_KC*_K = R_KC_K(l+h*_2lэ). При той же полосе пропускания, что и у каскада с ОЭ, сопротивление R_к в 1 + h*_2lэ раз больше и соответственно выше коэффициент усиления по напряжению каскада.

В отличие от вышерассмотренной схемы рис. 4.33, а при каскодном включении задается потенциал базы транзистора VT2, а не ее ток. Для этого в цепь базы включен конденсатор С₂, имеющий сравнительно большую емкость.

Эквивалентная схема каскада для области средних частот приведена на рис. 4.34, б. Если пренебречь сопротивлениями r*_кдиф1 и r*_кдиф2 ввиду того, что они существенно больше входного сопротивления транзистора VT2 и сопротивления нагрузки R_K||R_H, то ток коллектора транзистора VT1 равен току эмиттера транзистора VT2₂. Тогда для входного и выходного напряжений можно записать уравне­ния (для простоты пренебрегая сопротивлением делителя R₃||R₂):

Отсюда коэффициент усиления каскада, подключенного к источнику напряжения с нулевым внутренним сопроти­влением,

Если источник входного напряжения имеет внутреннее сопротивление, отличное от нуля, то коэффициент усиления

Так как h*_2lб →1, то значение коэффициента усиления каскодного каскада близко к значению коэффициента усиления обычного каскада с ОЭ. Входное сопротивление остается равным сопротивлению каскада с ОЭ.

Таким образом, в каскодном каскаде реализуются преиму­щества каскадов с ОЭ и ОБ — большой коэффициент усиления и высокое выходное сопротивление, определяемые r_кдиф и С_к, а не г*_кдиф и С_к*, как в каскаде с ОЭ.

Если конденсатор С₂ (рис. 4.34, а) отключить от общей шины и соединить с источником напряжения U_Bx2, то ток в цепи будет зависеть как от напряжения U_BXl, так и от U_Bx2. Если статический режим работы транзисторов выбран так, что они работают на нелинейных участках характеристик, то при одновременном изменении U_вх1 и U_Bx2 каскад будет осуществлять перемножение этих сигналов. В спектре выход­ного напряжения будут присутствовать составляющие, име­ющие частоты (ω₁ + ω₂) и (ω₁- ω₂), амплитуды которых зависят от значений U_BXl и U_Bx2, а также комбинационные гармоники. Это свойство позволяет выполнять на основе каскодной схемы перемножители (смесители) двух сигналов.

Каскодное включение позволяет: 1) получать высокое выход­ное сопротивление; 2) уменьшать влияние емкостей коллекторного перехода и при использовании тех же транзисторов выполнять усилительные каскады с лучшими частотными характеристиками; 3) создавать устройства, управляемые одновременно несколькими сигналами, которые могут выполнять функции перемножителей сигналов, в том числе и достаточно высокочастотных; 4) реализовывать преимущества различных схем включения транзисторов (схем с ОЭ и ОБ).

Рассмотренные подходы к построению усилительных каска­дов широко применяются на практике. Так, например, в дифференциальном каскаде (рис. 4.34, в), транзистор VT3 является динамической нагрузкой для транзистора VT2, что существенно повышает значение его нагрузочного сопротивления по пере­менному току. Кроме того, транзистор VT3 управляется по базовой цепи выходным напряжением транзистора VT1, сдвинутым по фазе на 180° относительно фазы коллекторного напряжения транзистора VT2. Это дополнительно увеличивает коэффициент усиления дифференциального каскада.

В схемотехнике современных интегральных схем широко используется введение дополнительных транзисторов, выпол­няющих роль динамических нагрузок, и реже каскодное включение.