Усилительные каскады с высоким входным сопротивлением

В основных схемах усилительных каскадов без применения специальных мер БТ позволяют получить входное сопротивление R_вх порядка 1 кОм, ПТ с управляемым p-n-переходом – порядка 1 МОм, а ПТ с изолированным затвором – порядка 10 МОм. Тщательным выбором типов УП (с минимальными токами входного электрода), его режимов (в области микротоков) и схемы подачи смещения на входной электрод удается повысить указанные значения на порядок. В среднем на два порядка увеличить входное сопротивление R_вх усилителя позволяет использование каскада-повторителя (см. подразд. ), который однако не дает усиления по напряжению.

При практической реализации схемы с ОК по типовому варианту (см. рис. *.*) возникает проблема по рациональному построению схемы питания базовой цепи на постоянном токе. С точки зрения обеспечения стабильности и определенности режима работы транзистора на постоянном токе в базовом делителе должны быть применены низкоомные резисторы. Но такие резисторы существенно повышают общую входную проводимость каскада с ОК.

Указанного недостатка лишена схема на рис 7.*. в ней сочетается возможность обеспечения низкоомной базовой цепи на постоянном токе с низким значением входной проводимости на переменном токе. В этой схеме токозадающий потенциал к базе транзистора подводится через относительно низкую резистивную цепь R₁, R₂ и R₃. На переменном токе конденсатор C₂ передает сигнальный выходной потенциал u_вых к нижнему (см. рис 7.*) зажиму резистора R₃. Сигнальная разность потенциалов на этом резисторе в условиях K₀≈0 приблизительно равна нулю, в результате чего входной сигнальный ток практически не ответвляется в цепь резистора R₃.

Рис. 7.*. Каскад с ОК с высоким входным сопротивлением при низкоомном базовом делителе.

При анализе свойств схемы на рис 7.*. на переменном токе следует учитывать, что в ней в качестве нагрузки R_н выступает не только резистор R_э, но и параллельно ему включенные резисторы R₁ и R₂. Расчет общей входной проводимости схемы следует производить по формуле

,

где .

Дальнейшее повышение входного сопротивления R_вх достигается применением сдвоенных повторителей. Простейший сдвоенный повторитель (рис. 7.4а), иначе называемый повторителем с составным транзистором, можно рассматривать как одиночный каскад, в котором установлен транзистор с параметрами, эквивалентными данному соединению двух транзисторов, в частности с результирующим коэффициентом передачи тока

,

что позволяет резко увеличить динамическое входное сопротивление, выражаемое формулой R’_вх=(h_21э1+1)R_нэ, где R_нэ = R_э||R_н.

Рис. 7.4. Схемы сдвоенных эмиттерных повторителей.

При этом обычно R_вх начинает ограничиваться коллекторной проводимостью первого транзистора (значениями r_к и C_к). Снять это ограничение позволяет схема с дополнительной ОС, вводимой в цепь коллектора первого транзистора (рис. 7.4б), уменьшающей шунтирующее действие элементов r_к и C_к в (1–K₀) раз, где K₀ – общий коэффициент усиления по напряжению обоих транзисторов. Аналогичное построение сдвоенных истоковых повторителей применяется для уменьшения их входной емкости, обусловленной проходной емкостью C_пр усилительного прибора.

Подключая резистор R₁ цепи смещения к коллектору первого транзистора (рис. 7.5), уменьшают и его шунтирующее влияние на входное сопротивление каскада. Можно уменьшить и приведенную ко входу каскада проводимость резистора R₂, если ввести последовательно с ним выходное напряжение сдвоенного повторителя, как показано на рис. 7.5.

Рис. 7.5. Включение делителя в цепи базы первого транзистора, содействующее ослаблению его шунтирующего действия на входное сопротивление сдвоенного эмиттерного повторителя.

Помимо сдвоенных повторителей с одинаковыми УП применяются комбинированные, состоящие из эмиттерного повторителя во втором каскаде и истокового повторителя в первом каскаде. На рис. 7.6 показана практическая схема одного из таких повторителей, обладающих входным сопротивлением 50 Мом (на частоте 10 кГц оно снижается до 20 Мом).

Рис. 7.6. Принципиальная схема комбинированного сдвоенного повторителя на ПТ и БТ с входным сопротивлением 50 МОм.

Усилители с особо высоким входным сопротивлением (10⁹ Ом и выше), так называемые электрометрические, могут быть выполнены на ПТ, в особенности с изолированным затвором. Известен также способ повышения малой активной входной проводимости усилителя за счет применения параметрических устройств, например модулятора с варикапами. В отличие от каскадов-повторителей такие устройства позволяют наряду с высоким входным сопротивлением получить низкий уровень шума, чего трудно добиться с присутствующим в схемах повторителей большим сопротивлением ОС. Уменьшить коэффициент шума усилителей, в которых высокое входное сопротивление получается путем применения глубокой ООС, можно заменой местной ОС петлей, охватывающей два и более каскадов с большим коэффициентом усиления [ ].

С помощью однотранзисторного каскада не удается обеспечить желаемый K_U, R_вх и R_вых, поэтому усилители приходится выполнять по многокаскадной схеме. Для упрощения схемы используют уже готовые секции.