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 ¹ 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^* bg_m^-1 g_mU_вх^* g₀^-1 R_н С_н

вход выход

Напомним,что g_m = -I_K/j_T, r_Э = (I_Э/j_T)^-1, r_БЭ = b_N(I_Э/j_Т)^-1 = b/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 + b/g_m = R_г + r_Б +br_Э,

- в выходной цепи включены параллельно 2 резистора

r_вых =R_н ½½ 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/bj_T = -bR_нg_БЭ = - g_mR_н,

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

A_U = -bR_н/(R_г+r_Б+b/g_m) = -bR_н/r_Э.

Недостатки усилителя с заземленным эмиттером:

1. Нелинейность, 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 = br_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 ¹ 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. Базовая 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_К1½½r_вх2)*R_К2/r_вх2 =

A_U(jw)=A_U0/(1+jwt₀).

Запишем выражение для постоянной времени t₀ 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.

t @ (R_K1½½[b₂r_вх2])C_K2a₂g_Э2R_н+R_н(С_К2+С_н2) » R_н (b₂С_К2 + С_н) = 1/w_a.

½A_U0½~b₂R_н/r_БЭ

0,7A_U0

-20 дБ/декаду

w_a w_Т w

Постоянная времени, соответствующая частоте среза (полосе пропускания) в схеме с ОЭ, сильно зависит от величины С_К, которая умножена на коэффициент усиления b. 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 b раз меньше, зато примерно во столько же раз меньше постоянная времени t₀:

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

эти 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 (w_Т ¯).

w_Т¯ = w_a×A_U0¯

При R_Э2 ® ¥, A_U0 ® 0,

t @ R_н(С_К+С_н)

w_Т ® 0.

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 w_Т(1) » w_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)

(2)

(3)

(4)

1

w_a1 w_Т3 w_Т2 w_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.