4 ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЕ ТРАНЗИСТОРНЫЕ КАСКАДЫ

При разработке устройств РЭА часто используются различного рада каскадные (групповые) элементы, с помощью которых возможно в определенной мере упростить ряд задач. К таковым относятся маломощные источники напряжения и тока, приближенные по своим характеристикам к идеальным и составные транзисторы. Первые позволяют сравнительно просто получать источники опорных напряжений и токов, вторые – поднимать коэффициент передачи одного усилительного каскада.

4.1 Источники тока на биполярном транзисторе

При стабильном входном токе каскада с ОЭ (см. рисунок 6.1а) выходная характеристика (см. рисунок 6.1б) дает очень малое приращение тока коллектора (I_k) для значительного разброса напряжения источника питания. Таким образом, если в качестве нагрузки используется резистор, помещенный в коллекторную цепь, его ток I_k = I_Н в крайне малой степени будет зависеть от величины его сопротивления.

а – принципиальная схема источника тока на БПТ; б - графические зависимости напряжений и токов на активном элементе

Рисунок 4.1 – Источник тока на биполярном транзисторе с диодом в качестве базового источника опорного напряжения

Режим работы источника тока характеризуется диапазоном изменения нагрузочного сопротивления, для которого выполняется условие стабильности тока. Значение минимального сопротивления известно,

R_{Н МИН} = 0 , R_{Н МАКС} определяется из соотношения:

R_{ВЫХ МАКС} = [U_П – U_КЭ(I_Б)] / h_21Э I_Б  R_{ВЫХ МАКС}  R_Н > R_{ВЫХ МИН} = 0

Отклонение нагрузочного тока от его заданного значения I_К = I_Н легко рассчитать с учетом справочной характеристики транзистора h_22Э – выходной проводимости транзистора для каскада с ОЭ. Поскольку эта величина крайне мала, то с погрешностью не более 5% можно принимать I_Н на всем диапазоне изменения R_Н равной нулю.

I_К = h_22Э [U_П – U_КЭ(IБ)] , т.к. h_22Э  0, I_К  0

Стабильный ток в R_Н в представленной схеме определяется качеством поддержания на заданном уровне значения параметров рабочей точки транзистора. В схеме на рисунке 4.1 роль стабилизатора выполняет диод, включенный в прямом направлении, ток через который задается резистором R1.

4.2 Источники тока на полевом транзисторе

Гораздо проще выглядит принципиальная схема источника тока на полевом транзисторе с управляющим р-п переходом и каналом n – типа (см. рисунок 4,2 а).

а – принципиальная схема источника тока на ПТ; б – входная ВАХ ПТ с рабочей;

Точкой; с – выходная вах с участком стабильного тока

Рисунок 4.2 – Источник тока на полевом транзисторе

Простота каскада определяется тем, что напряжение управления (напряжение затвора) противоположно по знаку напряжению стока (см. рисунок 4.2б). Максимальный ток стабилизации получают, соединив вместе затвор и исток. Изменение ток возможно при введении в цепь истока балластного сопротивления Rи, величину которого можно найти:

Rи =U_{ЗИ 0} / I_C зад (для Rи = 0, I_C зад = I_C макс)

R_{Н МАКС} = [U_П – U_СИ нас] / I_С зад  R_{ВЫХ МАКС}  R_Н > R_{ВЫХ МИН} = 0

Недостаток источников тока на основе ПТ заключается в том, что ток стабилизации лежит в области единиц миллиампер.

4.3 Составной транзистор

Реальные значения коэффициентов усиления транзисторов сравнительно небольшие и лежат в пределах h_21Э  50. Увеличение данного параметра позволяет существенно упростить реализацию РЭА. В многокаскадном усилительном устройстве при большем h_21Э можно обойтись меньшим числом каскадов или использовать слабый по мощности сигнал непосредственно для управления мощными потребителями без применения специальных усилителей.

Впервые увеличение коэффициента передачи путем каскадного включения нескольких транзисторов было применено Дарлингтоном и потому, подобные решения называют схемами Дарлингтона или составными транзисторами.

Чаще всего составной транзистор представляет собой совокупность двух транзисторов, работающих в паре.

Для представленной схемы (см. рисунок 4.3 а) будут справедливы следующие соотношения:

При условии, что и

После перемножения получим:

Приняв , получим:

Таким образом, в составном транзисторе результирующий коэффициент передачи тока равен произведению коэффициентов передачи входящих в него транзисторов.

Необходимым условием работоспособности схемы является неравенство , иначе в области малых выходных токов схема будет неработоспособной. Для устранения этого недостатка в эмиттерную цепь первого транзистора вводят сопротивление смещения R_СМ, которое в общем случае снижает эквивалентный коэффициент передачи.

I_ВЫХ

Rсм

VT1

Rсм

I_Б

VT2

I_ВЫХ

VT1

VT2

I_Б

а

б

а – схема составного транзистора на элементах одной структуры; б - схема составного транзистора на элементах одной структуры;

Рисунок 4.3 – Схемы составных транзисторов

Составной транзистор может быть реализован и с применением полевого транзистора. На рисунке 4.4 представлена схема составного транзистора с применением полевого и биполярного активных элементов. Данный вариант удобно совмещает достоинства полевого и биполярного транзисторов – большое входное сопротивление и огромный статический коэффициент усиления по току (мощности).

4.4 Усилительный каскад с активной нагрузкой

Коэффициент каскада в схеме с ОЭ может быть определен по выражению:

где R_К – суммарное сопротивление всех элементов включенных в коллекторную цепь транзистора VT1.

В случае подключения нагрузки параллельно активному элементу вышеприведенное выражение изменится:

I_ВЫХ

VT2

VT1

I_Б

Rсм

Рисунок 4.4 – Составной транзистор на полевом и биполярном транзисторах

В этом случае изменение тока нагрузки при изменении входного сигнала может быть выражено:

Следовательно, подключение R_Н несколько снизит коэффициент передачи каскада. Его повышение возможно, если изменение тока коллектора будет ответвляться только на R_Н , что реально для условия R_K>> R_Н , в идеале R_K должно стремиться к бесконечности для переменной составляющей (усиливаемого сигнала). Но R_K определяет и режим работы по постоянному току. Совместить первое со вторым невозможно, если не найти такой нелинейный элемент взамен R_K, для которого статическое сопротивление много меньше динамического.

Мы рассмотрели каскадный элемент – источник тока. В рабочей точке статическое сопротивление определяется напряжением покоя (для усилительного каскада) и величиной стабильного тока. Динамическое сопротивление резко возрастает (пологая часть характеристики транзистора). При использовании в качестве R_K источника тока позволяет получить максимально возможный коэффициент передачи каскада:

На рисунке 4.5 представлена схема каскада с ОЭ на транзисторе n-p-n типа, где в качестве R_K использован источник тока на биполярном транзисторе с противоположной структурой (p-n-p). Т.к. изменение коллекторного тока под действием внешнего сигнала не изменяет ток через активную нагрузку (ток источника тока постоянен), следовательно, изменяется ток нагрузки. Таким образом, изменение сигнала на входе не затрагивает ток в коллекторной цепи VT2 и в полной мере передается в нагрузку, в качестве которой можно рассматривать последующий усилительный каскад.

Аналогичным образом можно построить усилитель на основе полевого транзистора, где в качестве сопротивления в цепи стока помещен полевой транзистор, включенный по схеме источника тока.

На рисунке 4.6 приводится схема каскада на полевых транзисторах с управляющим p-n- переходом и активной нагрузкой.

На рисунке 4.7 для активной нагрузки и усилительного элемента использован МОП-транзистор со встроенным каналом. В том и другом случае усиление каскада максимально и равно: .

Рисунок 4.5 – Принципиальная схема каскада с активной нагрузкой в коллекторной цепи на биполярных транзисторах

Рисунок 4.6 – Принципиальная схема каскада с активной нагрузкой в коллекторной цепи на полевых транзисторах с управляющим p-n-переходом

Рисунок 4.7 – Принципиальная схема каскада с активной нагрузкой в цепи стока на полевых транзисторах с изолированным затвором.