Входное сопротивление: .

Выходное сопротивление: .

Усиление по напряжению на средних частотах в схеме (ЭП): т.к. R_нагр >> _T/I_K . A_U  1.

МДПТ и ПТ. Схема с общим истоком (ОИ)

В МДПТ нет входной характеристики, а выходная ВАХ идеального транзистора хорошо аппроксимируется простым выражением (нас интересует только пологая область ВАХ):

I_C = k(U_ЗИ – U_пор)².

З С_ЗС С R_нагр

U_ЗИ С_ЗИ g_mU_ЗИ r_СИ U_СИ

И

Выходное сопротивление r_вых = r_си = U_A/I_си,

U_A – «коэффициент» модуляции длины канала транзистора, U_A  -100..-200 В.

Определим отношение передаточной и выходной проводимости для МДПТ для той же величины тока 1 мА, как и для ИБТ. Примем величину крутизны k = 10^-3 А/В² , а напряжение U_A = -200 В:

g_m/g_вых = 2(kI_C)^1/2U_A/I_C = 2*200 = 400.

Полученная величина в 20 раз меньше/, чем у ИБТ, поэтому можно говорить о меньших усилительных свойствах схем на МТПТ.

Коэффициент усиления в схеме с ОИ рассчитывается так же, как и в схеме на ИБТ:

A_U = -g_mR_нагр.

Схема с общим затвором (ОЗ).

И С R_нагр

U_из С_зи r_вх g_mU_из r_си С_зс U_cз

З

Схема с общим стоком (ОС). Истоковый повторитель (ИП).

З С_зи И R_н

U_зс С_зс g_mU_зс r_вых U_ис

С

Коэффициент усиления по напряжению здесь, как и в схеме ЭП, равен единице.

Входное сопротивление в схеме ОИ и ОС - бесконечность (диэлектрик).

Составные транзисторы.

Интегральные транзисторы характеризуются рядом важнейших параметров: коэффициент усиления , полоса пропускания или частота среза _(_), предельная частота усиления _, пробивное напряжениеU_проб. Желание улучшить один или больше из этих параметров обуславливает использование составных транзисторных структур.

Схема Дарлингтона. Наиболее часто применяемый прием увеличени я коэффициента усиления по току. Быстродействие хуже из-за диффузионной емкости Т2 , лучше вариант с резистором: I_R < I_Б2, U_R < U_БЭ2 на токах утечки. R = n*100 Ом в мощных транзисторах, R = n*1000 Ом в малосигнальных схемах. Ток в резисторе должен быть меньше, чем ток в базе.

Б К

=  _ ₁₂ U_БЭ = 2U_БЭ, U_КЭ  U_БЭ

R Э g_БЭ = I/(2_)

= _  _Nnpn, U_проб как в p-n-р ИБТ.

Схема Шиклаи (Sziklai), p-n-p.

= __p_n частотные характеристики хуже,

по типу pnp- ИБТ.

Cхема Шиклаи n-p-n (комплементарный транзистор)

К _  _n_р, U_БЭ = U_БЭ, U_КЭ = U_БЭн

=

ЛЕКЦИЯ 6

ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ УСИЛИТЕЛЬНЫЕ КАСКАДЫ

Элементарные каскады это схемы с ОЭ, ОБ, ОК на ИБТ или с ОИ, ОЗ, ОС для МДПТ. Каскады выполняют усиление мощности, при этом может быть усиление тока, напряжения или того и другого одновременно. Различают три группы каскадов:

1. Усилительные каскады, усиливают напряжение или ток: A_U, A_I.

2. Повторители напряжения. Усиление мощности происходит за счет усиления тока.

3. Повторители тока (на выходе ток повторяет ток на входе). Усиливается напряжение.

4. Преобразователи напряжения (S=I_вых/u_г), преобразователи тока (Т=U_вых/i_г).

Рассмотрим наиболее распространенные схемы усилителей на ИБТ:

U _ИП

R_н  R_н 

U_вых U_вых

R_г U_вх

R_Э A_U = -R_н/R_Э

U_вх

Схема  с ОЭ, U_Э = 0. Схема  с ОЭ, U_Э  0.

Схема 1. Используя малосигнальную модель ИБТ в схеме с ОЭ, представим входные и выходные сопротивления схемы:

R_г r_Б С_БК

U _вх С_ЭБ U_вх^* g_m^-1 g_mU_вх^* g₀^-1 R_н С_н

вход выход

Напомним,что g_m = -I_K/_T, r_Э = (I_Э/_T)^-1, r_БЭ = _N(I_Э/_Т)^-1 = /g_m;

Определим в схеме 1 цепи входного и выходного тока и суммарное сопротивление в соответствующих цепях:

- во входной цепи базового тока последовательно соединены резисторы

r_вх = R_г + r_Б + /g_m = R_г + r_Б +r_Э,

- в выходной цепи включены параллельно 2 резистора

r_вых =R_н  g₀^-1.

При малых номиналах нагрузочных сопротивлений (по сравнению с выходным сопротивлением транзистора), малых сопротивлениях генератора и тела базы коэффициент усиления по напряжению

A_U = U_вых/U_вх^*  -g_mU_вх^*R_н/U_вх^* = - R_нI_K/_T = -R_нg_БЭ = - g_mR_н,

С учетом сопротивления генератора на входе и того, что r_вх = (+1)g_m^-1,

A_U = -R_н/(R_г+r_Б+/g_m) = -R_н/r_Э.

Недостатки усилителя с заземленным эмиттером:

1. Н елинейность, коэффициент усиления зависит от тока. При высоком коэффициенте усиления (А_u  -400 при токах 1мА, но может быть и порядка –800 при токе 2мА и выходном напряжении U_вых = 0, и нулевым при нулевом токе и выходном напряжении, равном напряжению питания) вследствие изменения тока искажается выходной сигнал:

U_вх U_вых U_ип

2. Входное сопротивление r_вх = r_Э тоже зависит от тока. Если выходное сопротивление источника входного сигнала невелико, получается нелинейный резистивный делитель напряжения во входной цепи с сильной температурной зависимостью (ТКР).

3. Смещение. В рассматриваемом усилителе смещение трудно выполняется, постоянное смещение с резистивного делителя всегда связано с влиянием температуры на падение напряжения на открытом диоде  1/Т, ток коллектора увеличивается в 10 раз через каждые 30⁰. Температурная нестабильность тока смещения может ввести транзистор в режим насыщения.

Схема 2. Схема с ОЭ, U_Э  0.

Входное и выходное сопротивления определяются , соответственно, следующим образом:

r_вх = (b +1)(r_Э + R_Э )  bR_Э ,

r_вых =R_н ½½ g₀^-1  R_н ,

очевидно, входное и выходное сопротивления постоянны.

Определим коэффициент усиления:

A_U = u_вых/u_вх = - I_KR_K/I_БR_вх = - R_н/R_Э = const.

Практически все перечисленные недостатки отсутствуют во второй схеме усилителя с ОЭ, только коэффициент усиления будет гораздо меньше.

В схеме (2) усиление почти не зависит от тока, поэтому обеспечивается

усиление почти без искажений в большом диапазоне изменения сигнала.

В схеме (2) входное сопротивление постоянно.

Таким образом, характеристики второй схемы лучше, но и коэффициент усиления гораздо меньше.

Каскадное соединение усилителей.

Далее для простоты будем считать R_Г = 0. Расчеты коэффициента усиления делаем на средних частотах (в индексе значок 0)

Пример 1. Б азовая схема 2-х каскадного усилителя с ОЭ.

u_г Т1 R_K1 T2 R_К2 С_н

Соединим две малосигнальные схемы усилителей с ОЭ с заземленным эмиттером (схема 1). Подставим в формулы для коэффициента усиления каждой схемы соответствующие величины входных и выходных сопротивлений. A_U0 = A_U01 *A_U02 – коэффициент усиления по напряжению на средних частотах

A_U0 = g_m1R_К1 (g_m2R_К2) = g_m1(R_К1r_вх2)*R_К2/r_вх2 =

A_U(j)=A_U0/(1+j₀).

Запишем выражение для постоянной времени ₀ в общем виде, воспользовавшись полуэмпирическими упрощенными выражениями, представленными в предыдущей лекции. Учитываем изменение сигнала во входной цепи, связанной с барьерными и диффузионными емкостями, и в выходной цепи.

  (R_K1[₂r_вх2])C_K2₂g_Э2R_н+R_н(С_К2+С_н2)  R_н (₂С_К2 + С_н) = 1/_.

 A_U0₂ R_н/r_БЭ

0,7A_U0

-20 дБ/декаду

_ _Т 

Постоянная времени, соответствующая частоте среза (полосе пропускания) в схеме с ОЭ, сильно зависит от величины С_К, которая умножена на коэффициент усиления . Это является следствием проявления Эффекта Миллера.

Эффект Миллера. В любом усилительном каскаде, если есть проходная проводимость между входом (in) и выходом (out) Y_i/o, в соответствии с изменениями потенциалов на входе и выходе, реальная входная проводимость увеличивается:

Y _вхi/o = Y_i/o U_вых/U_вх  Y_i/oA_U0.

Влияние проходной проводимости на входные свойства усилителя называется эффектом Миллера. В схеме ОЭ проходной проводимостью является проходная емкость С_К, на обкладках конденсатора заряд емкости увеличивается в dU_вых/dU_вх = A_U раз. Другими словами, величина проходной емкости между входом и выходом растет, например для схемы с ОЭ:

С_вх-вых ~ A_U C_K.

В результате действия эффекта Миллера снижается полоса пропускания усилителя. Для борьбы в таким эффектом, т.е. для расширения полосы пропускания, необходимо «изолировать» выход от входа усилителя. Для этих целей чаще всего применяют каскодные соединения.

Пример 2. Каскодная схема – каскадное соединение транзисторов с ОЭ и ОБ.

U_ИП R_н

U_вых

U_Б = const

U_вх

R_н

По сравнению с предыдущей схемой усиление примерно в  раз меньше, зато примерно во столько же раз меньше постоянная времени ₀:

Пример 3. Выходной каскад с ОЭ c сопротивлением в эмиттерной цепи.

Алгоритм вывода соотношений для коэффициента усиления и постоянных времени аналогичен предыдущим примерам, только меняются соответствующие входные сопротивления каскада 2.

Т1 R_K1 T2 R_Э2 R_н С_н

э ти выражения подставим в

формулы для схемы (1).

Коэффициент усиления выходного каскада постоянен и равен

A_U0  R_н/R_Э2.

Частота единичного усиления в этой схеме будет меньше (_Т ).

_Т__U0

При R_Э2  A_U0  

 R_н(С_К+С_н)

_Т 

Пример 4. Каскады с обратными связями.

R_ос

Т1 Т2 С_н

R_K1 R_н

Здесь по сравнению со схемой (1) не будет ухудшения частотных свойств _Т(1)  _Т(4).

Пример 5.

T1 T2

R_K1 R_н С_н

R_Э1 R_oc

A_U0  R_oc/R_Э1.

В этой схеме получено уменьшение усиления и расширение полосы пропускания.

Построим амплитудно-частотные характеристики схем первых четырех примеров на одном графике и сравним их коэффициенты усиления и полосу пропускания.

(1)

400

100

10

(2)

(3)

(4)

1

_1 _Т3 _Т2 _Т1,4

самая широкая полоса пропускания в схеме из 4 примера,затем 2-я, затем 3-я, а самая малая – в схеме 1 примера, но в этой схеме максимальный коэффициент усиления.

Проанализируем полученные результаты и сделаем обобщения. Усилительные каскады характеризуются коэффициентом усиления на средних частотах и частотой среза (или полосой пропускания), граничной частотой усиления). Как говорилось во введении, частотный диапазон работы схемы зависит от особенностей самой схемы, что и было продемонстрировано приведенными примерами. Рассмотренные примеры позволяют определить схемотехнические методы увеличения полосы пропускания усилителей, что определяет область применения конкретной схемы.

Амплитудно-частотная характеристика усилителей.

A_U0

0.7A_U0

f₁ f₂ f₃ f½_-3дБ f=w/2p

Снижение коэффициента усиления на нижних частотах f_н зависит от свойств внешних элементов цепи, а на высоких – от параметров самой цепи.

Известны следующие разновидности усилителей:

1. широкополосные,

2. мощные низкочастотные,

3. избирательные.

Методы расширения полосы пропускания широкополосных усилителей.

По итогам сравнительного анализа приведенных выше примеров усилительных каскадов можно обобщить приемы расширения полосы пропускания:

1. Выбор определенного сочетания каскадов (лучшие свойства каскада 2.);

2. Использование местных отрицательных обратных связей (ООС)

Последовательного типа (3) параллельного типа (4)

3. Использование полных обратных связей (5). ОС последовательно-параллельного типа, (в зависимости от способа подключения ко входу), по току или напряжению (по способу съема с выхода).

Методы построения ШПУ с большим коэффициентом усиления.

Для увеличения коэффициента усиления, как видно из формул, полученных в рассмотренных примерах, необходимо увеличивать номинал нагрузочного сопротивления. Для исключения потерь усиления на делителях в выходных каскадах необходимо сформировать оптимальное сочетание выходного и нагрузочного импедансов.

Свойства выходных каскадов ШПУ.

- Для схем усилителей напряжения и преобразователей тока в напряжение упрощенная эквивалентная схема выглядит так:

A_U, T

j_вых = u_вых/Z_вых

Z_вых

U_вых Z_н U_н

Для увеличения коэффициента усиления выгодно делать

Z_н/(Z_вых+Z_н)  1

или Z_вых/Z_н << 1, тогда получаем высокое выходное напряжение.

• Для схем усиления тока или преобразователей напряжения в ток выходной каскад выглядит следующим образом:

A_I, S

I_вых

Y_вых = 1/Z_вых

J_вых Y_вых Z_н

Высокий коэффициент усиления можно получить, если делать

Z_н/Z_вых << 1.

Свойства входных каскадов ШПУ.

Для усилителей и преобразователей тока или напряжения, соответственно, нужно придерживаться следующих соотношений импедансов генераторов входных сигналов и входных импедансов соответствующих схем:

Преобразователи напряжения Преобразователи тока

A_U, S A_I, T

Z_г I_вх

U_г Z_вх J_г Z_г Z_вх

Z_вых1 Z_вх2 = Z_н1

1 )

I_вх

2 )

Z_н1  Z_вх2(2) << Z_вх2(1) для усиления по току

3)

Z_н1 = Z_вх2(3) > Z_вх2(1) по сравнению со схемой (1) ₁ уменьшается

4 )

Z_н1 = Z_вх2(4) < Z_вх2(1) частотные свойства лучше, чем в (3).

При построении ШПУ применяют местные ОС и проводят оптимизацию полосы пропускания каждой ячейки, при этом желательно придерживаться следующих рекомендаций:

Схема усилителя	Входной импеданс	Выходной импеданс
AU	Zвх  ,	Zвых 
AI	Zвх 	Zвых 
S	Zвх 	Zвых 
T	Zвх  0	Zвых  0

Широкополосные схемы усилителей напряжения A_U:

Ш ирокополосные схемы усилителей тока A_I:

В области больших частот имеют преимущества парафазные схемы с эмиттерными связями, используются транзисторы в схемах с ОК (Т1) и с ОБ (Т2). Это частный случай дифференциальных каскадов, основное отличие – несимметрия схемы. В такой схеме минимизируется емкость коллектора во входном плече, а включение транзистора с ОБ преобразует усиление по току в усиление по напряжению. Каскад неинвертирующий, поэтому затруднено использование ООС. Коэффициент усиления схемы с эмиттерной связью равен примерно половине А_U в аналогичной схеме с ОЭ

+U

I₁ R_K I₂

U_вых

R_г

U_вх Т1 Т2

I₀

-U

ЛЕКЦИЯ 7