ОСНОВЫ АНАЛОГОВОЙ СХЕМОТЕХНИКИ

РАЗДЕЛ 1ОСНОВЫ АНАЛОГОВОЙ СХЕМОТЕХНИКИ

Введение
Общие сведения об аналоговых
электронных устройствах

Аналоговые электронные устройства (АЭУ) – это устройства усиления и обработки аналоговых электрических сигналов, выполненные на электронных приборах.
К аналоговым относятся сигналы, которые изменяются по тому же закону, что и отражаемые (описываемые) ими физические процессы. Аналоговые сигналы заданы (известны, могут быть измерены) во все моменты времени. В отличие от аналогового у дискретного сигнала значения известны не во все моменты времени, а только в некоторые моменты времени. Но по форме (а не по содержанию) любой дискретный сигнал является аналоговым. Частным видом дискретного сигнала является цифровой. Соответственно все электронные устройства можно разделить на две группы - аналоговые и цифровые.
Преимущества аналоговых устройств – сравнительная простота, надёжность и быстродействие –обеспечили им широкое применение, несмотря на менее высокую точность обработки сигналов.
Построение аналоговых устройств на основе активных электронных приборов позволяет усиливать сигналы.
Усилителем электрических колебаний называется такое устройство, которое за счёт энергии источника питания формирует новое колебание, являющееся по форме более или менее точной копией заданного усиливаемого колебания, но превосходит его по напряжению, току или мощности.

Рисунок 1.1 Обобщённая структурная схема электронного
усилителя
К входу усилителя подключён источник входного сигнала с действующим значением ЭДС еи и внутренним сопротивлением Rи. Источник: микрофон, фотоэлемент, термопара, антенна и др. Маломощный входной сигнал управляет расходом энергии источника питания значительно большего уровня мощности. В выходной цепи действует усиленный сигнал КUвх с выходным сопротивлением Rвых. В качестве нагрузки могут быть, например, резистор, колебательный контур, обмотка трансформатора, электронно-лучевая трубка и т.д. Разделяют нагрузки по переменному и постоянному току. Для их разделения применяют конденсаторы и трансформаторы.
На основе электронных усилителей строятся почти все другие аналоговые электронные устройства. Обычно посредством добавления тех или иных цепей обратной связи ОС.

Тема 1.2 Принцип электронного усиления

Минимальная часть усилителя, сохраняющая его функции, называется усилительным каскадом. Обычно он содержит один усилительный элемент, например транзистор (реже – два), и относящиеся к нему пассивные компоненты, обеспечивающие его работу.

13 EMBED Msxml2.SAXXMLReader.5.0 1415
Рисунок 1.2 Принцип электронного усиления

Во входной цепи последовательно с источником переменного усиливаемого напряжения Uвх включен источник постоянного напряжения смещения Uсм. Переменная составляющая Iкm, протекая через Rк, выполняющий функции коллекторной нагрузки, создаёт на нём падение напряжения Uвых. Оно снимается с коллектора и подаётся далее на сопротивление нагрузки Rн.
Работа каскада. В исходном состоянии или режиме покоя (подключен источник питания, а сигнал для усиления не идет на усиление.)
Uвх=0
При этом:
, IК=IК0

Пусть на вход подаётся переменное напряжение:

В результате Iк измениться около значения в исходной рабочей точке также по закону sin:

13 EMBED Equation.3 1415
В первый полупериодUк уменьшается из-за увеличения iк и падения напряжения на Rк. Здесь Rк играет роль преобразователя тока I в напряжение U.
При большом13 EMBED Equation.3 1415 усиление по напряжению13 EMBED Equation.3 1415осуществляется управление IК, что можно рассматривать как результат изменения сопротивления R транзистора. Управление же сопротивления транзистора Rосуществляется Uвх.
При анализе ЭУ необходимо учитывать соотношение между Rн и Rвых
(более чем на 2 порядка)
(более чем на 2 порядка)
Тогда для эквивалентной схемы усилителя:

Входная цепь практически не потребляет тока, т.е. работает в режиме холостого хода по входу 13 EMBED Equation.3 1415это источник напряжения, управляемый напряжением.

Рисунок 1.3Схема источника напряжения управляемый напряжением(идеальный усилитель напряжения)


Рисунок 1.4Схема источника тока управляемого напряжением
13 EMBED Equation.3 1415


Рисунок 1.5Схема источника тока управляемого током (идеальный усилитель тока)

Рисунок 1.6Схема источника напряжения управляемый током

Усилитель тока характеризуется тем, что:
13 EMBED Equation.3 1415
Считается, что ЭУ управляется током и значением входного тока
13 EMBED Equation.3 1415
Источник сигнала работает в режиме короткого замыкания и ЭУ является источником тока, управляемый током (ИТУТ). Схема 4: источник тока – во входной цепи; источник напряжения – в выходной, значит, это источник напряжения, управляемый током (ИНУТ).
13 EMBED Equation.3 1415;13 EMBED Equation.3 1415

Тема 1.3 Классификация АЭУ

I.По параметру усиливаемого сигнала:
усилители напряжения
усилители тока
усилители мощности
1. Усилитель напряжения – работает при условии 13 EMBED Equation.3 1415, что обеспечивает большие изменения напряжения на нагрузке при небольших изменениях токов во входной и выходной цепи.
2. Усилитель тока: 13 EMBED Equation.3 1415, при которых обеспечивается прохождение заданного тока в выходной цепи при малых значениях напряжения.
3. Усилитель мощности – необходимо согласовать входные цепи с источником входного сигнала и выходные цепи с нагрузкой: 13 EMBED Equation.3 1415
II. По форме усиливаемых колебаний:
усилители непрерывных сигналов (усилители квазигармонических сигналов), которые изменяются во времени медленно, переходные процессы почти не проявляются. Свойства усилителей оценивают по качеству передачи гармонических колебаний.
усилители импульсных сигналов (усилители радиолокационных, ТВ и других сигналов). Здесь проявляются переходные процессы. Поэтому свойства этих усилителей оцениваются по форме переходной характеристики.
III. По диапазону частот:
усилители постоянного тока (усиливают постоянную и переменную составляющую входного сигнала)
усилители переменного тока (усиливают переменную составляющую):
усилители звуковой частоты: 20Гц20кГц13 EMBED Equation.3 1415
усилители радиочастоты 13 EMBED Equation.3 1415, а диапазон частот превышает УЗЧ. Полоса их пропускания формируется с помощью колебательных контуров (резонансные усилители). В отличие от них все остальные – апериодические усилители.
широкополосные усилители: 13 EMBED Equation.3 1415 (видеоусилители)
IV. По типу усилительных элементов
транзисторные
ламповые
диэлектрические
магнитные
ИМС
V. По области применения
микрофонные
трансляционные
измерительные
телевизионные
магнитофонные
радиолокационные и т.д.

Устройства на основе усилителей – в основном преобразователи электрических сигналов и сопротивлений. Это устройства суммирования, вычитания, дифференцирования, интегрирования, логарифмирования, антилогарифмирования, фильтрации, детектирования, перемножения, деления, сравнения и др.
Преобразователи сопротивлений выполняют на основе применения принципа ОС в ЭУ. Они могут преобразовывать величину, знак и характер сопротивления.

Тема 1.4 Стабильность показазателей АЭУ

Все технические параметры АЭУ являются величинами, изменяющиеся во времени. Источник изменения параметров АЭУ являются следующие факторы:
Производственный разброс технических параметров АЭУ.
Электрическая нагрузка АЭУ
Условия окружающей среды
Объективные процессы старения материалов из которых изготовлены АЭУ
Важнейшие показатели максимальной нестабильности нормируются техническими условиями. Обычно задается допустимая относительная нестабильность того или иного показателя к его номинальному значению. При отыскании нестабильности технического показателя

Тема 1.1 Основные технические параметры и
характеристики АЭУ

1.1.1Входное и выходное сопротивление. Коэффициенты
усиления

Входное сопротивление13 EMBED Equation.3 1415– внутреннее сопротивление между его входными зажимами. Может быть представлено в виде параллельного соединения активного сопротивления 13 EMBED Equation.3 1415 и ёмкости 13 EMBED Equation.3 1415. Обычно желательно 13 EMBED Equation.3 1415 большое и 13 EMBED Equation.3 1415малое.
Выходное сопротивление13 EMBED Equation.3 1415– внутреннее сопротивление между его выходными зажимами. В области средних частот 13 EMBED Equation.3 1415 можно считать активным.
Поведение любого устройства, системы описывается моделью – схемными функциями. Они могут быть спектральными, временными, заданными в операторной форме (функции Фурье или Лапласа) и т.д.
Наиболее распространённой является схемная функция коэффициент передачи (передаточная характеристика) – отношение комплексных амплитуд выходных и входных сигналов. Иногда под передаточной характеристикой понимают зависимость выходного напряжения от входного, измеренную на постоянном токе:
13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415
где:
13 EMBED Equation.3 1415–АЧХ (это зависимость модуля функции от частоты входного сигнала)
13 EMBED Equation.3 1415–ФЧХ
Модуль схемной функции носит название коэффициента передачи или коэффициента усиления (это отношение выходного сигнала ко входному). Существуют:
13 EMBED Equation.3 141513 EMBED Equation.3 1415
Используется реже, так как для измерения токов необходимо разорвать цепь
13 EMBED Equation.3 1415
Коэффициенты также выражают в13 EMBED Equation.3 1415.
13 EMBED Equation.3 141513 EMBED Equation.3 1415; 13 EMBED Equation.3 1415; 13 EMBED Equation.3 1415
Вследствие физиологических особенностей органов слуха субъективное восприятие изменения громкости ближе всего соответствует логарифму отношений интенсивности звука, или мощности. Если мощность звуковых колебаний изменяется от P1 до P2, то громкость возрастает на величину, пропорциональную 13 EMBED Equation.3 1415 - выражается в Белах [Б]. Эта единица оказалась слишком большой, поэтому ввели в 10 раз меньшую единицу - 13 EMBED Equation.3 1415:
13 EMBED Equation.3 1415
- так как мощность пропорциональна: 13 EMBED Equation.3 1415.
Логарифм единицы удобен тем, что если известны К отдельных каскадов усилителя, то он находится как алгебраическая сумма логарифмических коэффициентов усиления отдельных каскадов:
К=К1К2
13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415

1.2 Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) и
фазочастотная характеристика(ФЧХ)


Рисунок 1.7 Амплитудно-частотная характеристика

Для АЧХ является типичным наличием область средних частот 13 EMBED Equation.3 1415, где К почти не зависит от13 EMBED Equation.3 1415. Также на АЧХ по вертикальной оси используют относительный масштаб, откладывая относительное усиление
13 EMBED Equation.3 1415
Такая АЧХ13 EMBED Equation.3 1415 или 13 EMBED Equation.3 1415 – называется нормированная.
Частоты, на которых относительное усиление у уменьшается до условного отсчёта d (стандартным уровнем считается d=13 EMBED Equation.3 1415 =0,707), называются граничными частотами. Диапазон частот 13 EMBED Equation.3 1415 называется полосой пропускания (ПП) усилителя.
Вследствие спада усиления на краях полосы пропускания не все спектральные составляющие сложного колебания усиливаются в одинаковое число раз. Это приводит к искажениям его формы, которые называются амплитудно-частотными или частотными искажениями. Их оценивают коэффициентом частотных искажений
13 EMBED Equation.3 1415
Его обычно определяют на граничной частоте
13 EMBED Equation.3 1415
(например, для УЗЧ 13 EMBED Equation.3 1415(1,41 раза), для измерительных приборов 13 EMBED Equation.3 1415)
Зависимость от частоты фазового сдвига, вносимого усилителем, называют ФЧХ (или фазовой характеристикой). Появление фазового сдвига между 13 EMBED Equation.3 1415 и 13 EMBED Equation.3 1415 в идеальном усилителе объясняется задержкой сигнала в усилителе на время t3. За это время фаза 13 EMBED Equation.3 1415 изменится на 2
·ft3:
·
·(
·)=- 2
·ft3
Знак “–” отображает отставание по фазе выходное напряжение по сравнению с 13 EMBED Equation.3 1415.

Рисунок 1.8 Реальная и идеальная фазочастотная
характеристика

Графически эту зависимость отображается идеальная ФЧХ. Реальная ФЧХ отличается от идеальной, так как различные спектральные составляющие входного сигнала задерживаются усилителем на различное время, что приводит к возникновению фазочастотных или фазовых искажения.
Частотные и фазовые искажения называются линейными искажениями, так как они создаются ёмкостями С и индуктивностями L схемы (т.е. линейными элементами). Линейные искажения изменяют форму сложного колебания, а форму гармонического не изменяют.

1.1.2 Переходная, динамическая, амплитудная характеристики.
Динамический диапазон

а) б)

в)
Рисунок 1.9 Характеристики: а)-переходная;
б)-динамическая; в)-амплитудная

Переходная характеристика (ПХ) – зависимость от времени входного напряжения усилителя, на вход которого подан мгновенный скачок напряжения, показывает отклик АЭУ на входящее напряжение.
13 EMBED Equation.3 1415- время нарастания от 0,1 до 0,9U
13 EMBED Equation.3 1415- время установления от 0,1 до 1U
13 EMBED Equation.3 1415- относительный выброс(6%)
Переходная характеристика (ПХ) – это временной метод оценки качества АЭУ (АЧХ и ФЧХ – частотный метод оценки).
ПХ прежде всего используют для оценки искажений формы прямоугольных импульсов при усилении.
Динамическая характеристика (ДХ) – зависимость мгновенного значения от мгновенного значения при гармоническом изменении последнего.
Амплитудная характеристика (АХ) – зависимость амплитуды (или действующего значения) первой гармоники выходного напряжения от амплитуды (или действующего значения) гармонического входного напряжения. Идеальная АХ линейная только на участке АВ. Шумы и помехи приводят к тому, что при 13 EMBED Equation.3 1415 на выходе имеется 13 EMBED Equation.3 1415. При 13 EMBED Equation.3 1415 - амплитуда выходного сигнала ограничивается и искажается из-за нелинейных искажений, вносимых активными схемы.
Динамический диапазон Д – это выраженное в 13 EMBED Equation.3 1415 отношение наибольшего выходного (или входного) напряжение к наименьшему в пределах линейной части амплитудной характеристики:
13 EMBED Equation.3 1415
Обычно для АЭУ: Д=406013 EMBED Equation.3 1415
Чтобы АЭУ мог воспроизвести на выход изменения уровня входного сигнала, необходимо 13 EMBED Equation.3 1415.
Если АХ является нелинейной (логарифмической), то устанавливают два значения Д: Двх и Двых Двх13 EMBED Equation.3 1415Двых

1.1.3 Нелинейные искажения(НИ)

Это изменения формы колебания, обусловленные кривизной характеристик транзистора, диода, ИМС и других элементов. Им подвержено даже гармоническое колебание (на выходе АЭУ получим не только первую гармонику, но и высшие)
Коэффициентом гармоник называется отношение эффективного (действующего) значения суммы высших гармоник к эффективному значению его первой гармоники
13 EMBED Equation.3 1415
Иногда используют только вторую гармонику:13 EMBED Equation.3 1415. В звуковых сигналах НИ воспринимается как хрип или дребезжание. При13 EMBED Equation.3 1415 они почти незаметны на слух. В высокочастотных усилителях: при 13 EMBED Equation.3 1415, а в усилителе многоканальной связи при13 EMBED Equation.3 1415 (во избежание взаимных помех каналов)
Во всяком усилителе НИ увеличивается при приближении амплитуды 13 EMBED Equation.3 1415 к максимальному значению 13 EMBED Equation.3 1415, при котором 13 EMBED Equation.3 1415, называется номинальным (а также и соответствующая мощность).


1.1.4 Коэффициент полезного действия

Это отношение номинальной выходной мощности, отдаваемой в нагрузку, к суммарной мощности, потребляемой им от всех источников питания

Мощность потерь в усилителе.


1.1.5 Собственные помехи

Усилитель передаёт на выход не только усиленный полезный сигнал, но и нежелательные колебания, возникшие внутри него – собственные помехи:
фон
наводки
шумы
дрейф нуля (для УПТ)

Фон – колебания с частотой питающей сети или кратное ей.
Обычно попадают в каскады усилителя из цепей питания из-за недостаточного сглаживания пульсаций, в ламповых каскадах дополнительно – цепи накала катодов переменным током.
Наводки – помехи, создаваемые электромагнитными полями.
Источники наводок: трансформатор источника питания, провода электросети, электроустановки.
Для количественной оценки фона и наводок используется отношения их напряжения на выходе усилителя к выходному номинальному напряжению. Для качественных усилителей: -60-70.
Собственные шумы – хаотическое движение носителей заряда в электропроводящих материалах.
Для количественной оценки применяют коэффициент шума и отношение сигнал/шум. Если генератор входного сигнала отключён, то к усилителю подключено лишь его сопротивление Rг, которое даёт тепловые шумы, мощность которых усиливается
13 EMBED Equation.3 1415
Для RГ его шумовая ЭДС определяется формулой Найквиста:
13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 141513 EMBED Equation.3 141513 EMBED Equation.3 1415-
постояннаяБольцмана
t –температура приемника, r- сопротивление входа, f- полоса частот.

13 EMBED Equation.3 141513 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415
Сигнал/шум – отношение 13 EMBED Equation.3 1415 к суммарному напряжению шумов на выходе. Учтём, что шум как отношение мощностей равен отношению квадратов соответствующих шумовых напряжений
13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415
Дрейф нуля (в УПТ) – медленное изменение 13 EMBED Equation.3 1415 из-за нестабильности напряжения питания и характеристик транзистора. Количественно его оценивают напряжением или током дрейфа, пересчитанным к входу.

1.1.6 Стабильность показателей АЭУ

Технические показатели и характеристики любых устройств, к сожалению, не остаются постоянными ввиду нестабильности параметров составляющих элементов: пра изменении температуры, напряжения и гока пи гения, а также от экземпляра к экземпляру (производственный разброс) и вследствие старения. Наиболее нестабильны параметры транзисторов. Для важнейших показателей максимальные нестабильности нормируются техническими условиями. Обычно задастся допустимая относительная нестабильность того или иного показателя, т. е. отношение абсолютного приращения данного показателя к его номинальному значению.
При отыскании нестабильности какого-либо технического показателя устройства принято использовать понятие чувствительности (параметрической),

которая по существу представляет отношение относительных нестабильностей интересующего нас показателя y н параметра х как источника нестабильности. Безразмерная величина называется чувствительностью показателя УК изменению параметра х.
Интересующий нас показатель может быть не обязательно параметром устройства (например, коэффициентом усиления), но и какой-либо функцией (например, передаточной). В последнем случае чувствительность тоже является функцией. Частную производную ду/дх называют функцией чувствительности или коэффициентом влияния параметра х на величину y.













Тема 1.2 Методы обеспечения режима работы биполярных и полевых транзисторов в каскадах усиления


1.2.1 Схема с фиксированным током базы

Рисунок 1.10 Схема с фиксированным током базы

Для нормальной работы любого усилительного каскада необходимо установить определенные токи и напряжения в входной и выходной цепях транзистора при отсутствии входного сигнала. Такой режим называют статическим(режим по постоянному току, режим покоя). Значения постоянных составляющих токов и напряжений определяются источниками питания во входной и выходной цепях усилителя.
В практических схемах отдельный источник смещения во входной цепи используется редко, а вводятся дополнительные элементы смещения (обычно резисторы), на которые подается напряжение от источника смещения в выходной цепи. Рассмотрим основные способы обеспечения режима по постоянному току в схеме с ОЭ. Основным требованием при этом является обеспечение постоянства выбранного режима покоя при изменении температуры и замене транзистора.
В схеме на рис. 1.10 режим по постоянному току задается с помощью резисторов 13 EMBED Equation.3 1415и источника питания. Смещение эмиттерного перехода осуществляется за счет протекания тока базы 13 EMBED Equation.3 1415от источника питания 13 EMBED Equation.3 1415через резистор 13 EMBED Equation.3 1415. Уравнение Кирхгофа для входной цепи имеет вид:
13 EMBED Equation.3 1415.
При этом 13 EMBED Equation.3 1415 (эмиттерный переход открыт). Тогда
13 EMBED Equation.3 1415, (2.1)
откуда следует, что начальный ток базы 13 EMBED Equation.3 1415 не зависит от транзистора и определяется только внешними параметрам 13 EMBED Equation.3 1415 и 13 EMBED Equation.3 1415. Поэтому такой метод обеспечения режима работы транзистора по постоянному току называется смещением фиксированным током базы.
Недостатками данной схемы являются:
1)трудность обеспечения режима покоя в выходной цепи при установке транзисторов с допустимым промышленным разбросом параметра 13 EMBED Equation.3 1415без изменения сопротивления резистора13 EMBED Equation.3 1415:
13 EMBED Equation.3 1415(2.2)
Ток 13 EMBED Equation.3 1415не зависит от параметров транзистора, а точка покоя в выходной цепи 13 EMBED Equation.3 1415может оказаться или в области насыщения или вблизи границы режима отсечки;
2) не учитывается изменение обратного коллекторного тока транзистора 13 EMBED Equation.3 1415от температуры. Схема с фиксированным током базы может быть использована для работы в диапазоне изменения температур, не превышающем 10...20 °С.










1.2.2 Схема с фиксированным напряжением база – эмиттер


Рисунок 1.11 Схема с фиксированным напряжением базы
В схеме на рис. Режим покоя обеспечивается фиксированным напряжением на базе 13 EMBED Equation.3 1415 транзистора с помощью источника питания и делителя из резисторов 13 EMBED Equation.3 1415 и 13 EMBED Equation.3 1415.
Сопротивления резисторов 13 EMBED Equation.3 1415 и 13 EMBED Equation.3 1415 при заданном начальном токе базы 13 EMBED Equation.3 1415, соответствующем напряжению 13 EMBED Equation.3 1415, определяют по формулам
13 EMBED Equation.3 1415
где13 EMBED Equation.3 1415 ток делителя, который выбирается из условия обеспечения необходимой стабильности режима работы; 13 EMBED Equation.3 1415.
Напряжение
13 EMBED Equation.3 1415
не зависит от параметров транзистора. В связи с этим такой способ задания режима по постоянному току называют смещением фиксированным напряжением базы.
С увеличением температуры токи 13 EMBED Equation.3 1415и 13 EMBED Equation.3 1415изменяются практически одинаково, что приводит к увеличению 13 EMBED Equation.3 1415. Точка покоя перемещается в сторону режима насыщения. Для обеспечения температурной стабилизации усилительных каскадов используют обратные связи по постоянному току или постоянному напряжению, которые снижают действие дестабилизирующих температурных факторов.

1.2.3 Схемы с температурной стабилизацией

На рис. 1.12, а представлена схема с коллекторной стабилизацией. Ее отличие от схемы (рис. 1.10) состоит в том, что резистор 13 EMBED Equation.3 1415 подключен к коллекторному выводу транзистора с напряжением 13 EMBED Equation.3 1415, а не к источнику питания. В этом случае ток смещения 13 EMBED Equation.3 1415определяется так:
13 EMBED Equation.3 1415
Физический смысл коллекторной температурной стабилизации заключается в следующем. При повышении температуры коллекторный ток увеличивается, а напряжение 13 EMBED Equation.3 1415уменьшается. Это приводит к уменьшению потенциала базы, а следовательно, к уменьшению тока базы 13 EMBED Equation.3 1415и коллекторного тока 13 EMBED Equation.3 1415, который стремится к своему первоначальному значению. Таким образом, это существенно ослабляет влияние температуры на характеристики усилительного каскада.
а)

б)
Рисунок 1.12 Схемы транзисторного каскада
13 EMBED Equation.3 1415.
Это приводит к уменьшению напряжения на эмиттерном переходе, что вызывает уменьшение базового тока 13 EMBED Equation.3 1415, в результате чего ток коллектора 13 EMBED Equation.3 1415также уменьшается, стремясь возвратиться к своему первоначальному значению.
Введение резистора 13 EMBED Equation.3 1415при отсутствии конденсатора 13 EMBED Equation.3 1415изменяет работу усилительного каскада не только в режиме покоя, но и при наличии входного сигнала. Переменная составляющая эмиттерного тока 13 EMBED Equation.3 1415создает на резисторе падение 13 EMBED Equation.3 1415напряжения, так называемое напряжение обратной связи(ОС), которое уменьшает усиливаемое напряжение, подводимое к транзистору:
13 EMBED Equation.3 1415
Коэффициент усиления усилительного каскада будет уменьшаться. Для ослабления влияния отрицательной обратной связи по переменному току параллельно резистору 13 EMBED Equation.3 1415включается конденсатор 13 EMBED Equation.3 1415. Ёмкость конденсатора 13 EMBED Equation.3 1415выбирают таким образом, чтобы в полосе пропускания усилителя его сопротивление было значительно меньше13 EMBED Equation.3 1415. При этом падение напряжения на параллельном соединении 13 EMBED Equation.3 1415и 13 EMBED Equation.3 1415от переменной составляющей тока эмиттера будет незначительным.
Таким образом, режим покоя можно обеспечить:
заданием требуемого тока базы с помощью резистора 13 EMBED Equation.3 1415с большим сопротивлением (рис. 1.12,а);
заданием потенциала базы с помощью делителя напряжения 13 EMBED Equation.3 1415или получением 13 EMBED Equation.3 1415 за счет включения 13 EMBED Equation.3 1415(1.12,б).

1.2.4 Стабильность рабочей точки

Разброс параметров транзисторов одной серии значительно затрудняет проектирование стабильных усилительных устройств. Кроме того, параметры биполярных транзисторов сильно зависят от внешних факторов: изменения температуры, радиационного воздействия. Все это приводит к смещению рабочей точки на ВАХ.
Качество температурной стабилизации схемы определяется выбором положения исходной рабочей точки и ее стабильностью при изменении температуры. На положение рабочей точки при увеличении температуры сильное влияние оказывают: обратный ток коллекторного перехода 13 EMBED Equation.3 1415, который возрастает; напряжение 13 EMBED Equation.3 1415, которое уменьшается; коэффициент передачи тока базы, который также возрастает.
Поэтому температурную нестабильность схемы можно оценить полным приращением тока коллектора по формулам
13 EMBED Equation.3 1415 (2.3)
13 EMBED Equation.3 1415(2.4)
Исходя из (2.14), запишем
13 EMBED Equation.3 1415 (2.5)
Подставив в (2.15) значение приращения тока базы 13 EMBED Equation.3 1415, получим уравнение
13 EMBED Equation.3 1415 (2.6)
где 13 EMBED Equation.3 1415– коэффициент токораспределения;
13 EMBED Equation.3 1415
решив которое относительно13 EMBED Equation.3 1415 найдем
13 EMBED Equation.3 1415 (2.7)
Величину 13 EMBED Equation.3 1415 называют коэффициентом температурной нестабильности.
Коэффициент температурной нестабильности показывает, во сколько раз изменение тока покоя больше в данном каскаде, чем в идеальном стабилизированном устройстве. Чем меньше S, тем стабильнее усилительный каскад.
Учитывая, что 13 EMBED Equation.3 1415 полное приращение коллекторного тока с учетом коэффициента нестабильности будет равно
13 EMBED Equation.3 1415 (2.8)
Формула (2.18) может быть использована для определения 13 EMBED Equation.3 1415усилительного каскада для любой схемы включения биполярного транзистора.
Выполнив анализ коэффициента нестабильности, получим предельные значения S. При13 EMBED Equation.3 1415каскад будет обладать наилучшей стабильностью, а при 13 EMBED Equation.3 1415 плохой. Таким образом, в зависимости от соотношения 13 EMBED Equation.3 1415и 13 EMBED Equation.3 1415 значение коэффициента температурной нестабильности изменяется от13 EMBED Equation.3 1415до13 EMBED Equation.3 1415. Следовательно, для получения максимальной стабильности нужно стремиться к выполнению условия 13 EMBED Equation.3 1415или к выполнению неравенства
13 EMBED Equation.3 1415(2.9)
Условие (2.9) является желательным при создании стабильных усилительных каскадов, однако уменьшение значения сопротивления 13 EMBED Equation.3 1415 ограничивается снижением входного сопротивления каскада. На практике удовлетворительные результаты получаются при13 EMBED Equation.3 1415, которым соответствуют 13 EMBED Equation.3 14155и 13 EMBED Equation.3 1415.
Приращение коллекторного тока за счет изменения напряжения учитывается в (2.8) слагаемым 13 EMBED Equation.3 1415, причем 13 EMBED Equation.3 1415, где 13 EMBED Equation.3 1415–ТКН, являющийся отрицательной величиной, что учитывается в выражении (2.8) знаком минус перед13 EMBED Equation.3 1415. Это указывает на то, что с ростом температуры изменение 13 EMBED Equation.3 1415 приводит к уменьшению приращения коллекторного тока.
Изменение коллекторного тока 13 EMBED Equation.3 1415 за счет приращения коэффициента усиления транзистора по току учитывается 13 EMBED Equation.3 1415, обычно 13 EMBED Equation.3 1415

1.2.5 Способы задания режима покоя в усилительных каскадах на полевых транзисторах


а)

б)

Рисунок 1.13 Схемы обеспечения режима покоя усилительного каскада на полевых транзисторах: а, в - с управляющим p-n
переходом; б – со встроенным каналом; г – с индуцированным каналом

В схемах на полевых транзисторах режим покоя задается с помощью падения напряжения на резисторе, включенном в цепь истока, или подачей на затвор дополнительного напряжения. На рис. 1.13 представлены схемы подачи напряжения смещения на полевые транзисторы. В усилителях на полевых транзисторах с управляющим p-n переходом и с встроенным каналом (рис.2.4, а, б) режим покоя обеспечивается за счет резистора, включенного в цепь истока.
Так как ток затвора этих транзисторов очень мал, то мало и падение напряжения на резисторе 13 EMBED Equation.3 1415. На практике принято считать, что напряжение 13 EMBED Equation.3 1415 практически равно падению напряжения на резисторе 13 EMBED Equation.3 1415: 13 EMBED Equation.3 1415. Сопротивление резистора 13 EMBED Equation.3 1415 включенного параллельно большому входному сопротивлению усилителя, должно быть соизмеримо с ним. Его выбирают из диапазона от единицы до десятков МОм.
Резистор 13 EMBED Equation.3 1415, кроме функции автоматического смещения на затвор, выполняет функцию термостабилизации режима работы по постоянному току, стабилизируя 13 EMBED Equation.3 1415. Чтобы исключить падение напряжения на резисторе 13 EMBED Equation.3 1415 за счет переменной составляющей тока стока, его шунтируют емкостью 13 EMBED Equation.3 1415. Сопротивление конденсатора во всей полосе пропускания усилителя должно быть значительно меньше 13 EMBED Equation.3 1415.
Часто для работы транзистора на участке с большой крутизной характеристики на затвор подают дополнительное отпирающее напряжение с помощью делителя 13 EMBED Equation.3 1415 (рис. 1.13, в).
При использовании в усилительных устройствах полевых транзисторов с индуцированным каналом (рис. 1.13, г) принципиально необходима подача напряжения смещения от внешнего источника, ибо при его отсутствии транзистор будет закрыт. Температурная стабилизация осуществляется за счет элементов 13 EMBED Equation.3 1415.















1.2.6 Обратные связи в усилителях







Рисунок 1.14 Структурная схема усилителя с обратной связью

Для улучшения стабильности усиления, изменения входного и выходного сопротивлений, уровня линейных и нелинейных искажений, амплитудно-частотных, передаточных характеристик и других параметров вводят обратную связь. Обратной связью (ОС) в усилителях называют передачу выходного сигнала в его входную цепь. Цепь, по которой осуществляется передача сигнала ОС, называется цепью обратной связи. Петлей ОС называют замкнутый контур, включающий в себя цепь ОС и часть усилителя между точками ее подключения. Местной петлёй ОС (местной ОС) называют ОС, охватывающую отдельные каскады или часть усилителя. Общая ОС охватывает весь усилитель.
Упрощенная структурная схема усилителя, с обратной связью показана на рис.1.14. Усилитель имеет в направлении, указанном стрелкой, коэффициент усиления 13 EMBED Equation.3 1415. Другим прямоугольником обозначена цепь ОС, имеющая коэффициент передачи 13 EMBED Equation.3 1415, где 13 EMBED Equation.3 1415 напряжение ОС, передаваемое с выхода усилителя на вход. Коэффициент13 EMBED Equation.3 1415показывает, какая часть выходного напряжения передается обратно на вход, поэтому его называют коэффициентом обратной связи. Обычно 13 EMBED Equation.3 1415, поэтому вместо нижнего усилителя можно применять пассивный линейный четырёхполюсник. Коэффициент усиления усилителя 13 EMBED Equation.3 1415и коэффициент передачи цепи ОС13 EMBED Equation.3 1415в общем случае являются величинами комплексными, учитывающими возможный фазовый сдвиг на низких и высоких частотах за счет наличия в схемах реактивных элементов. При работе в диапазоне средних частот, если в цепи ОС отсутствуют реактивные элементы, то параметры 13 EMBED Equation.3 1415 и13 EMBED Equation.3 1415являются вещественными величинами.


Рисунок 1.15 Способы получения сигнала обратной связи:
а – по напряжению; б – по току; в - комбинированный

Если напряжение 13 EMBED Equation.3 1415совпадает по фазе с выходным напряжением 13 EMBED Equation.3 1415, то в точке сравнения происходит сложение сигналов и ОС называют положительной (ПОС). Если 13 EMBED Equation.3 1415и13 EMBED Equation.3 1415 противофазны (поворот фазы сигнала13 EMBED Equation.3 1415), то в точке сравнения происходит их вычитание и ОС называют отрицательной (ООС).
По способу получения сигнала13 EMBED Equation.3 1415различают:
- обратную связь по напряжению (рис. 1.15, а), когда сигнал обратной связи пропорционален выходному напряжению 13 EMBED Equation.3 1415;
- ОС по току (рис. 1.15, б), когда сигнал обратной связи пропорционален току выходной цепи;
- комбинированную обратную связь (рис.2.6, в), когда снимаемый сигнал ОС пропорционален как напряжению, так и току выходной цепи.


Рисунок 1.16 Способы введения сигнала обратной связи на вход усилителя:
а – последовательный; б – параллельный; в - смешанный
По способу введения напряжения ОС на вход усилителя обратная связь бывает:
- последовательной (рис. 1.16, а) напряжение ОС13 EMBED Equation.3 1415 поступает последовательно с напряжением источника входного сигнала;
- параллельной (рис.1.16, б) напряжение ОС13 EMBED Equation.3 1415 поступает параллельно с напряжением источника входного сигнала;
- смешанной (рис.1.16,в).
Для определения вида обратной связи можно воспользоваться следующим правилом: если при коротком замыкании нагрузки напряжение обратной связи сохраняется, то осуществляется обратная связь по току; если же оно стремится к нулю, то по напряжению.
Поскольку в усилителях обычно используются каскады ОЭ, ОК, ОИ, ОС, то можно просто определить вид ОС по способу подачи ее сигналов во входную цепь. Если сигнал обратной связи поступает на эмиттер (или исток) транзистора, то связь последовательная, а если на базу (или затвор), то параллельная. Для определения вида обратной связи (ООС, ПОС) необходимо просмотреть прохождение полуволны входного сигнала во всех точках схемы усилителя.
Отрицательная обратная связь позволяет улучшить некоторые параметры усилителя, поэтому она нашла на практике преимущественное применение. Оценку влияния обратной связи на показатели усилителя рассмотрим на примере схемы с последовательной обратной связью по напряжению (рис. 1.16, а).

1.2.7 Последовательная обратная связь по напряжению

На входе усилителя действует алгебраическая сумма напряжений входного сигнала и ОС
13 EMBED Equation.3 1415 (2.10)
Напряжение на выходе усилителя, охваченного обратной связью, равно
13 EMBED Equation.3 1415(2.11)
Разделив обе части уравнения (2.11) на13 EMBED Equation.3 1415, получим
13 EMBED Equation.3 1415(2.12)
Это соотношение, связывающее коэффициент усиления усилителя 13 EMBED Equation.3 1415, охваченного обратной связью, и усилителя без обратной связи, является основным соотношением в теории усилителей с обратной связью. Величина 13 EMBED Equation.3 1415 характеризует усиление и характер петли обратной связи. Величину 13 EMBED Equation.3 1415называют глубиной обратной связи.
Поскольку в общем случае 13 EMBED Equation.3 1415и 13 EMBED Equation.3 1415, где 13 EMBED Equation.3 1415и 13 EMBED Equation.3 1415– фазовые сдвиги напряжения сигнала, вносимые соответственно усилителем и звеном обратной связи, выражение (2.12) можно записать в виде
13 EMBED Equation.3 1415(2.13)
При 13 EMBED Equation.3 1415; 13 EMBED Equation.3 1415, т.е. если коэффициент обратной связи есть величина вещественная и отрицательная, получим
13 EMBED Equation.3 1415(2.14)
Таким образом, если сигнал обратной связи поступает на вход усилителя в противофазе с входным сигналом, то коэффициент усиления усилителя уменьшается в 13 EMBED Equation.3 1415раз. Такую обратную связь называют отрицательной.
Отрицательная обратная связь ослабляет влияние всех изменений коэффициента усиления13 EMBED Equation.3 1415, в том числе связанных с неравномерностью частотной характеристики; расширяет полосу пропускания как в сторону низких, так и в сторону высоких частот; уменьшает частотные искажения. ООС уменьшает возникающие в усилителе нелинейные искажения. Если при ООС13 EMBED Equation.3 1415, то говорят, что усилитель охвачен глубокой отрицательной обратной связью
13 EMBED Equation.3 14152.15)
В этом случае коэффициент усиления усилителя определяется только коэффициентом передачи цепи обратной связи и не зависит от собственного коэффициента усиления 13 EMBED Equation.3 1415усилителя.
Если величина 13 EMBED Equation.3 1415вещественная и положительная, то сигнал обратной связи совпадает по фазе с входным, усилитель охвачен положительной обратной связью. Коэффициент усиления усилителя при этом возрастает в 13 EMBED Equation.3 1415раз. При13 EMBED Equation.3 1415в усилителе возникают условия для самовозбуждения усилителя охваченного положительной обратной связью. Такой режим работы нашёл применение в генераторах напряжения.
Сущность самовозбуждения заключается в следующем: любой малый входной сигнал, вызванный наводками или колебаниями параметров активных элементов, усиливается и возвращается обратно на вход усилителя. Суммируясь с входным сигналом, он вызывает появление большого входного сигнала. В реальных усилителях наступает ограничение выходного сигнала, появляются незатухающие колебания.
Положительная обратная связь, увеличивающая коэффициент усиления, в электронных усилителях практически не применяется, так как при этом стабильность его усиления значительно ухудшается.
Для качественной оценки действия цепи обратной связи определим стабильность коэффициента усиления усилителя с обратной связью. Для этой цепи продифференцируем выражение (2.15)
13 EMBED Equation.3 1415(2.15)

тогда относительное изменение коэффициента усиления усилителя с отрицательной обратной связью определяется, как
13 EMBED Equation.3 1415(2.16)
Отсюда следует, что относительное изменение коэффициента усиления усилителя с отрицательной обратной связью в 13 EMBED Equation.3 1415 раз меньше относительного изменения коэффициента усиления усилителя без обратной связи. При этом стабильность коэффициента усиления повышается с увеличением глубины обратной связи.


Рисунок 1.17 Амплитудно-частотная характеристика
усилителя с обратной и без обратной связи

Физический смысл повышения стабильности коэффициента усиления усилителя с отрицательной обратной связью заключается в том, что при изменении коэффициента усиления 13 EMBED Equation.3 1415изменяется напряжение обратной связи 13 EMBED Equation.3 1415, приводящее к изменению входного напряжения усилителя, препятствующего изменению выходного напряжения. Стабильность коэффициента 13 EMBED Equation.3 1415при введении ООС широко используется для улучшения амплитудно-частотной характеристики усилителей переменного сигнала, при этом полоса пропускания усилителя 13 EMBED Equation.3 1415расширяется.
Рассмотрим влияние последовательной обратной связи на входное и выходное сопротивления в диапазоне средних частот. Входное сопротивление усилителя с обратной связью определяется как
13 EMBED Equation.3 1415
Используя соотношение 13 EMBED Equation.3 1415, получим
13 EMBED Equation.3 1415
т.е. входное сопротивление каскада при последовательной обратной связи по напряжению возрастает в 13 EMBED Equation.3 1415раз, а положительная обратная связь уменьшает его в 13 EMBED Equation.3 1415раз.
Найдём выходное сопротивление усилителя по значению выходного тока 13 EMBED Equation.3 1415, протекающего под действием приложенного напряжения 13 EMBED Equation.3 1415, при замкнутом генераторе на входе 13 EMBED Equation.3 1415:
13 EMBED Equation.3 1415
Выходной ток определяется выражением
13 EMBED Equation.3 1415 (2.17)
при этом
13 EMBED Equation.3 1415(2.18)
Подставив выражение (2.18) в (2.17), получим
13 EMBED Equation.3 1415(2.19)
13 EMBED Equation.3 1415 (2.20)

Из выражения (2.20) видно, что выходное сопротивление усилителя, охваченного ООС, уменьшается. Увеличение входного и уменьшение выходного сопротивлений усилителя с ООС очень ценные свойства для его оконечных каскадов: обеспечивается меньшая зависимость выходного напряжения усилителя при изменении сопротивления нагрузки, усилитель приближается по своим параметрам к идеальному источнику напряжения.


1.2.8 Последовательная обратная связь по току

Структурная схема усилителя с последовательной обратной связью по току приведена на рис. 1.18. Напряжение обратной связи 13 EMBED Equation.3 1415снимается с резистора, 13 EMBED Equation.3 1415включенного последовательно с нагрузкой 13 EMBED Equation.3 1415, при протекании через резисторы выходного тока 13 EMBED Equation.3 1415.
Коэффициент передачи для последовательной обратной связи по току представляет собой проводимость или крутизну передачи. Однако удобнее анализировать схему с помощью коэффициента передачи напряжения:
13 EMBED Equation.3 1415 (2.21)


Рисунок 1.18 Последовательная обратная связь по току

Для входной цепи справедливо выражение13 EMBED Equation.3 1415 а коэффициент усиления определяется выражением
13 EMBED Equation.3 1415 (2.22)
выражение (2.21) показывает, что последовательная обратная связь по току оказывает такое же влияние на коэффициент усиления и его нестабильность, как и последовательная обратная связь по напряжению.
Входное сопротивление усилителя, охваченного обратной связью, равно
13 EMBED Equation.3 1415 (2.23)
где 13 EMBED Equation.3 1415; 13 EMBED Equation.3 1415 проводимость прямой передачи усилителя с обратной связью, которая меньше нуля для отрицательной обратной связи по току.
Поэтому входное сопротивление усилителя, охваченного отрицательной обратной связью по току, увеличивается в 13 EMBED Equation.3 1415 раз, а положительная ОС уменьшает его в13 EMBED Equation.3 1415раз.
Выходное сопротивление усилителя, охваченного последовательной обратной связью по току, определяется при подаче переменного напряжения на выход усилителя13 EMBED Equation.3 1415при коротком замыкании генератора (13 EMBED Equation.3 1415):
13 EMBED Equation.3 1415(2.24)
где 13 EMBED Equation.3 1415
Данный тип обратной связи применяется тогда, когда необходимо иметь очень большое выходное сопротивление усилителя. В этом случае усилитель эквивалентен генератору тока, и выходной ток 13 EMBED Equation.3 1415 не зависит от сопротивления нагрузки.
Независимо от вида отрицательная обратная связь уменьшает сигнал на входе, что вызывает:
уменьшение коэффициента усиления;
повышение стабильности коэффициента усиления усилителя при изменении параметров транзисторов;
уменьшение уровня нелинейных искажений;
расширение полосы пропускания. Последовательная отрицательная обратная связь уменьшает напряжение на входе усилителя и уменьшает входное сопротивление. Последовательная обратная связь по напряжению уменьшает выходное сопротивление, усилитель стремится к идеальному источнику напряжения. Последовательная обратная связь по току увеличивает выходное сопротивление, стабилизируя выходной ток усилителя.
Параллельная отрицательная обратная связь увеличивает входной ток, уменьшая входное и выходное сопротивления усилителя.
Отрицательная обратная связь нашла широкое применение в реальных устройствах. Положительная обратная связь в усилителях нежелательна, однако в них могут самопроизвольно возникать паразитные положительные обратные связи, существенно ухудшающие их работу. Существует несколько видов паразитных обратных связей:
- между каскадами через цепи питания;
- емкостная (электростатическая), обусловленная паразитными емкостями между выходом и входом усилителя;
- магнитная, появляющаяся при близком расположении входных и выходных трансформаторов усилителя.
При наличии в усилителе даже слабой положительной связи ухудшается его работа: увеличиваются частотные и нелинейные искажения. При сильной паразитной связи (13 EMBED Equation.3 1415) усилитель самовозбуждается, т.е. в нём возникает генерация на определенной частоте. В многокаскадных усилителях, имеющих один источник питания, возникают паразитные обратные связи между каскадами через цепи питания. Мощные оконечные каскады создают на внутреннем сопротивлении источника питания падение напряжения от переменной составляющей тока. Это переменное напряжение попадает в цепи питания первых каскадов усилителя, вызывая нежелательные паразитные обратные связи. Для устранения таких связей применяют развязывающие RC-фильтры, В некоторых случаях первые каскады усилителя тоже имеют отдельные источники питания. Емкостные и индуктивные (магнитные) обратные связи возникают из-за плохого монтажа, когда входные цепи располагаются вблизи выходных. Между элементами входной и выходной цепей возникают ёмкость и взаимная индуктивность. Такие паразитные связи устраняются экранированием первых каскадов, рациональным монтажом и требуют большого практического опыта.























1.2.9. Режимы работы усилительных каскадов

В зависимости от значений постоянного тока и падения напряжения на транзисторе усилительного каскада и амплитуды входного усиливаемого сигнала различают основные режимы работы усилительного каскада: А, В, С, D, АВ.

Рисунок 1.19 Графическая иллюстрация работы усилительного каскада в режиме класса А

В режиме класса А положение рабочей точки выбирается таким образом, чтобы при движении по линии нагрузки она не заходила в нелинейную начальную область коллекторных характеристик и в область отсечки коллекторного тока. На входной характеристике (рис. 1.19, а) рабочая точка выбирается так, чтобы входной сигнал полностью помещался на линейном участке, а значение тока покоя13 EMBED Equation.3 1415располагалось на середине этого линейного участка. Амплитуды переменных составляющих входного 13 EMBED Equation.3 1415и выходного 13 EMBED Equation.3 1415токов, появившихся вследствие входного сигнала (рис. 1.19, б), в режимеАне могут превышать токи покоя 13 EMBED Equation.3 1415и 13 EMBED Equation.3 1415соответственно. Режим классаАхарактеризуется работой транзистора на почти линейных участках своих вольтамперных характеристик. Это обуславливает минимальные нелинейные искажения сигнала (13 EMBED Equation.3 1415). Режим классаАявляется наименее экономичным в виду того, что полезной является мощность, выделяемая в выходной цепи за счет переменной составляющей выходного тока. Потребляемая мощность определяется значительно большими величинами постоянных составляющих13 EMBED Equation.3 1415,13 EMBED Equation.3 1415.
В связи с этим КПД усилительного каскада в режимеА невелик, всегда меньше 40%. Этот режим применяется в тех случаях, когда необходимы минимальные нелинейные искажения, а полезная мощность и КПД не являются решающими; это каскады предварительного усиления и маломощные выходные каскады.
Режим классаВ это режим работы транзистора, при котором ток через него протекает в течение половины периода входного сигнала. Положение рабочей точки на ВАХ транзистора выбирается так, чтобы ток покоя был равен нулю (рис. 1.20).


Рисунок 1.20 Графическая иллюстрация работы усилительного каскада в режиме классаВ
В режиме классаВтранзистор открыт лишь в течение половины периода входного сигнала. В этом случае выходной ток имеет форму импульса с углом отсечки 13 EMBED Equation.3 1415. Углом отсечки называют половину времени периода входного сигнала, в течение которой транзистор открыт и через него протекает ток. Небольшая мощность, потребляемая каскадом, позволяет получить высокое КПД усилителя, в пределах 60...70%. Режим классаВприменяется в двухтактных каскадах, где прекращение протекания тока в одном транзисторе (первом плече) компенсируется появлением тока в другом транзисторе (другом плече каскада). Из-за нелинейности начальных участков характеристик транзисторов форма выходного тока (при малых его значениях) существенно отличается от формы тока, если бы имел место линейный характер характеристик. В связи с этим режим классаВ характеризуется большими нелинейными искажениями сигнала (13 EMBED Equation.3 1415), и этот режим используется преимущественно в мощных двухтактных каскадах усиления, однако в чистом виде его применяют сравнительно редко. Чаще в качестве рабочего режима используют промежуточный режим АВ.
Режим класса АВиспользуется для уменьшения нелинейных искажений усиливаемого сигнала, которые возникают из-за нелинейных начальных участков ВАХ транзисторов (рис. 1.21). При отсутствии входного усиливаемого сигнала в режиме покоя транзистор немного приоткрыт и через него протекает ток, равный 5... 15% максимального тока при заданном входном сигнале. Угол отсечки в режиме класса АВнесколько больше 13 EMBED Equation.3 1415и достигает 120...130°.


Рисунок 1.21 Графическая иллюстрация работы усилительного каскада в режиме класса АВ

При работе двухтактных каскадов в режиме АВпроисходит перекрытие положительной и отрицательной полуволн тока плеч двухтактного каскада, что приводит к компенсации искажений(13 EMBED Equation.3 1415),полученных за счет нелинейности начальных участков ВАХ транзистора. КПД каскадов, работающих в режиме АВ, выше, чем каскадов в классеА, но меньше, чем в классеВ, за счет наличия малого входного тока покоя 13 EMBED Equation.3 1415.
Режим классаС это режим работы активного элемента (транзистора), при котором ток через него протекает в течение времени, меньшего половины периода входного сигнала (рис. 1.22). Угол отсечки меньше 13 EMBED Equation.3 1415, а ток покоя равен нулю. Поскольку больше половины рабочего времени транзистор закрыт, мощность, потребляемая от источника питания, снижается, так что КПД каскадов повышается, приближаясь к 100%.

Рисунок 1.22 Графическая иллюстрация работы усилительного каскада в режиме классаС
С уменьшением угла отсечки в импульсе тока возрастают уровни высших гармоник по отношению к уровню первой. В связи с большими нелинейными искажениями режим классаС не используется в усилителях звукового диапазона частот, а используется в мощных двухтактных каскадах усилителей мощности радиочастот, нагруженных на резонансный контур и обеспечивающих в нагрузке токпервой гармоники.
Режим класса D это режим, при котором транзистор находится только в двух состояниях: закрыт или открыт. В закрытом состоянии через транзистор протекает небольшой обратный ток, его электрическое сопротивление велико, падение напряжения на нем примерно равно напряжению источника питания. В открытом состоянии через транзистор протекает большой» ток, его электрическое сопротивление очень мало, мало и падение напряжения на нем. В связи с этим потери в транзисторе в режиме класса Dничтожно малы и КПД каскада приближается к 100%.
Таким образом, режим работы усилителя определяется заданием рабочей точки активного элемента в режиме покоя. В режиме классаАтранзистор работает без отсечки тока с минимальными нелинейными искажениями. В режимах АВ, В, С, D транзистор работает с отсечкой тока.

1.2.10 Работа активных элементов с нагрузкой

При работе активного элемента в аппаратуре связи или радиотехнических устройствах на управляющий электрод подается входной сигнал. Изменение этого сигнала приводит к изменению тока в выходной цепи активного элемента. Чтобы использовать изменение выходного тока, в выходную цепь активного элемента всегда включается нагрузка. В качестве нагрузки могут быть активное сопротивление (резистор), колебательный контур, трансформатор. Выходной ток, протекая по нагрузке, создает на ней падение напряжения, которое вычитается из напряжения источника питания. В связи с этим величина выходного тока зависит от одновременного изменения напряжения на управляющем и выходном электродах активного элемента.
Для анализа работы активного элемента с нагрузкой, кроме статических характеристик, используется нагрузочная. Она представляет собой геометрическое место точек приложения составляющих токов и напряжений входной или выходной цепей соответственно, которым соответствуют возможные значения режима работы усилительного каскада.
Методика построения нагрузочной характеристики не зависит от типа активного элемента. Рассмотрим ее построение на примере усилительного каскада с общим эмиттером. При включении нагрузки в коллекторную цепь транзистора изменение тока коллектора определяется совместным воздействием изменений входного тока базы и напряжения в выходной коллекторной цепи.
Для коллекторной цепи усилительного каскада в соответствии со вторым законом Кирхгофа можно записать следующее уравнение электрического состояния:
13 EMBED Equation.3 1415(2.26)
т.е. сумма падения напряжения на нагрузке и напряжения коллектор – эмиттер 13 EMBED Equation.3 1415 транзистора всегда равна постоянной величине – ЭДС источника питания. Напряжение в коллекторной цепи определяется как 13 EMBED Equation.3 1415
Выражение (2.26) является математическим описанием прямой линии, его называют уравнением нагрузочной прямой, которая строится на семействе статических выходных характеристик (рис.1.23, а).

Рисунок 1.23 Графический анализ работы усилительного
каскада с нагрузкой в режиме классаА

Построение линии нагрузки по постоянному току удобно провести по двум точкам, характеризующим режим холостого хода (точка А: 13 EMBED Equation.3 1415) и короткого замыкания (точка А: 13 EMBED Equation.3 1415). Наклон линии нагрузки определяется сопротивлением резистора 13 EMBED Equation.3 1415, поэтому характеристику, можно провести под углом 13 EMBED Equation.3 1415
Точки пересечения нагрузочной прямой с коллекторными характеристиками дают графическое решение уравнения (2.26) для данных сопротивления нагрузки 13 EMBED Equation.3 1415, напряжения питания 13 EMBED Equation.3 1415и различных значений входного тока. Выбрав на входной характеристике 13 EMBED Equation.3 1415 значение тока покоя базы и 13 EMBED Equation.3 1415 определив точку пересечения соответствующей выходной характеристики, снятой при 13 EMBED Equation.3 1415с нагрузочной прямой, определяем режим по постоянному току выходной цепи точка О(13 EMBED Equation.3 1415). Для получения наибольшей амплитуды выходного напряжения необходимо, чтобы точка покоя размещалась посередине его линии нагрузки. При этом режим ограничения будет устанавливаться одновременно для обеих полуволн выходного напряжения, каскад будет работать с минимальными нелинейными искажениями (режим класса А).
У биполярных транзисторов, кроме нагрузочной характеристики, используется входная, получаемая методом перенесения точек пересечения выходной нагрузочной характеристики на семейство входных характеристик.
Однако для многих транзисторов характерно слабое влияние коллекторного напряжения на входной ток. Это проявляется в очень незначительных смещениях входных статических характеристик при изменениях коллекторного напряжения, в связи с чем семейство входных статических характеристик представлено лишь двумя из них, снятыми при напряжении 13 EMBED Equation.3 1415 (13 EMBED Equation.3 1415) и
при номинальном напряжении на коллекторе. Поэтому нагрузочная входная характеристика в этом случае сливается со статической, снятой при 13 EMBED Equation.3 1415 (13 EMBED Equation.3 1415) (рис. 1.23, а).
Для определения переменных составляющих тока и напряжения в коллекторной цепи используют нагрузочную характеристику каскада по переменному току. Для переменного тока 13 EMBED Equation.3 1415 источник питания, сопротивление разделительного конденсатора 13 EMBED Equation.3 1415практически не оказывают никакого сопротивления. Поэтому для 13 EMBED Equation.3 1415сопротивления резисторов 13 EMBED Equation.3 1415 и 13 EMBED Equation.3 1415 соединены параллельно и образуют сопротивление нагрузки транзистора по переменному току
13 EMBED Equation.3 1415(2.27)
Анализ выражения (2.27) показывает, что сопротивление нагрузки усилительного каскада по постоянному току 13 EMBED Equation.3 1415 больше, чем по переменному току 13 EMBED Equation.3 1415.
При наличии входного сигнала напряжение и ток во входной и выходной цепях представляют собой суммы постоянных и переменных составляющих. При увеличении 13 EMBED Equation.3 1415мгновенное напряжение на коллекторе уменьшится и его приращение будет равно
13 EMBED Equation.3 1415(2.28)
Линия нагрузки по переменному току, угол наклона которой равен 13 EMBED Equation.3 1415, проходит через точку покоя (точка О).
Если во входную (базовую) цепь каскада подается входное напряжение амплитудой 13 EMBED Equation.3 1415, то рабочая точка на входной нагрузочной характеристике будет перемещаться вверх, в точку 1 при положительной полуволне входного сигнала, и вниз, в точку 2 при отрицательной полуволне входного сигнала. В базовой цепи транзистора создается переменная составляющая тока базы 13 EMBED Equation.3 1415, которая вызывает появление переменной составляющей тока коллектора 13 EMBED Equation.3 1415. Это вызывает перемещение рабочей точки по выходной нагрузочной характеристике вверх при положительной полуволне входного сигнала (13 EMBED Equation.3 1415уменьшается) и вниз при отрицательной полуволне (13 EMBED Equation.3 1415 возрастает). Таким образом, схема с ОЭ изменяет фазу входного сигнала на 180° (схема инвертирует входной сигнал).
Для получения минимальных искажений необходимо, чтобы рабочая точка не заходила при перемещении вверх в область нелинейных участков ВАХ (транзистор из активного режима может переходить в режим насыщения), а при перемещении вниз – в область начальных токов (область отсечки) 13 EMBED Equation.3 1415.
Графический расчет, кроме того, позволяет определить следующие параметры:
входное сопротивление
13 EMBED Equation.3 1415
коэффициент усиления по напряжению коэффициент
13 EMBED Equation.3 1415
Усиления по току
13 EMBED Equation.3 1415
коэффициент усиления по мощности
13 EMBED Equation.3 1415

1.2.11 Усилительный каскад с общим эмиттером

Усилительные каскады на биполярных транзисторах с резисторными нагрузками в цепи коллектора нашли широкое применение в предварительных каскадах усиления. Они обеспечивают усиление по напряжению, току, мощности.
Рисунок 1.24 Принципиальная схема усилительного
резисторного каскада в схеме с ОЭ

Принципиальная схема усилительного резисторного каскада с ОЭ представлена на рис. 1.24. Входной сигнал поступает на базу транзистора от генератора напряжения с внутренним сопротивлением 13 EMBED Equation.3 1415. Разделительный конденсатор 13 EMBED Equation.3 1415служит для предотвращения протекания постоянной составляющей тока азы через источник входного сигнала. При отсутствии 13 EMBED Equation.3 1415в цепи источника входного сигнала создавался бы постоянный ток от источника питания 13 EMBED Equation.3 1415, который мог бы вызвать падение напряжения на внутреннем сопротивлении 13 EMBED Equation.3 1415источника сигнала, изменяющее режим работы транзистора и приводящее к нагреву источника сигнала. Конденсатор 13 EMBED Equation.3 1415на выходе усилительного каскада обеспечивает выделение переменной составляющей коллекторного напряжения, которая поступает на нагрузочное устройство с сопротивлением 13 EMBED Equation.3 1415. Элементы 13 EMBED Equation.3 1415обеспечивают режим каскада по постоянному току и температурную стабилизацию.
Параметры усилителя (коэффициенты усиления по току 13 EMBED Equation.3 1415, напряжению 13 EMBED Equation.3 1415 и мощности 13 EMBED Equation.3 1415; входное 13 EMBED Equation.3 1415и выходное 13 EMBED Equation.3 1415сопротивления) определяются с использованием аналитического метода, при котором на основе малосигнальной эквивалентной схемы транзистора строится эквивалентное представление каскада по переменному току и проводится его расчет (рис. 1.25).

Рисунок 1.25 Эквивалентная схема усилительного каскада в схеме с ОЭ в диапазоне средних частот

Расчет параметров каскада производится для области средних частот усиления, где зависимость параметров от частоты минимальна и не учитывается в расчетах. Сопротивления конденсаторов 13 EMBED Equation.3 1415очень малы иими можно пренебречь.
Резистор 13 EMBED Equation.3 1415 зашунтирован конденсатором 13 EMBED Equation.3 1415и на эквивалентной схеме не учитывается. При переменном токе сопротивление источника питания близко к нулю, поэтому верхний вывод резисторов 13 EMBED Equation.3 1415на схеме замещения соединяется с выводом эмиттера.
Цепь базы транзистора представлена на эквивалентной схеме объемным сопротивлением активной области базы 13 EMBED Equation.3 1415, составляющим единицы-сотни Ом. Эмиттерный переход представлен дифференциальным сопротивлением13 EMBED Equation.3 1415, лежащим в пределах единиц-десятков Ом. Закрытый коллекторный переход представлен дифференциальным сопротивлением13 EMBED Equation.3 1415, составляющим сотни кОм.
Входное сопротивление каскада представляет собой сопротивление параллельного соединения резисторов 13 EMBED Equation.3 1415и сопротивления входной цепи транзистора13 EMBED Equation.3 1415(13 EMBED Equation.3 1415, 13 EMBED Equation.3 1415):
13 EMBED Equation.3 1415(2.29)
Сопротивление входной цепи транзистора определяется как13 EMBED Equation.3 1415. Учитывая, что через сопротивление 13 EMBED Equation.3 1415 протекает ток 13 EMBED Equation.3 1415, а через сопротивление 13 EMBED Equation.3 1415 ток 13 EMBED Equation.3 1415, получим:
13 EMBED Equation.3 1415
Тогда входное сопротивление усилительного каскада определяется выражением
13 EMBED Equation.3 14152.30)
Значение 13 EMBED Equation.3 1415 для каскада с ОЭ составляет сотни Ом или единицы кОм.
Если резистор 13 EMBED Equation.3 1415в схеме (рис. 2.15) не зашунтирован по переменному току конденсатором 13 EMBED Equation.3 1415, то последовательно с13 EMBED Equation.3 1415в эквивалентной схеме усилителя необходимо включать сопротивление 13 EMBED Equation.3 1415. Входное сопротивление в этом случае определяется выражением
13 EMBED Equation.3 1415 (2.31)
Сравнение выражений (2.30) и (2.31) показывает, что введение отрицательной обратной связи по переменному току значительно увеличивает входное сопротивление усилительного каскада, а включение низкоомного делителя 13 EMBED Equation.3 1415, улучшающего температурную стабильность усилителя, значительно снижает его входное сопротивление.
Выходное сопротивлениеусилительного каскада определяется со стороны выходных зажимов при отключенной нагрузке и нулевом входном сигнале 13 EMBED Equation.3 1415. Из эквивалентной схемы (рис. 1.25) видно, что выходное сопротивление каскада определяется параллельным включением сопротивления 13 EMBED Equation.3 1415и выходные сопротивлением самого транзистора, близким по величине к13 EMBED Equation.3 1415
Обычно 13 EMBED Equation.3 1415 и считается, что выходное сопротивление определяется сопротивлением резистора 13 EMBED Equation.3 1415и составляет единицы кОм.
Коэффициент усиления по напряжению каскада определяется как отношение выходного напряжения 13 EMBED Equation.3 1415на нагрузке к ЭДС источника сигнала 13 EMBED Equation.3 1415. Значение 13 EMBED Equation.3 1415 определяется выражением13 EMBED Equation.3 1415 где знак минус указывает на то, что выходное напряжение находится в противофазе с входным. Ток базы определяется выражением
13 EMBED Equation.3 1415
тогда
13 EMBED Equation.3 1415(2.32)
Анализ выражения (2.32) показывает, что коэффициент усиления каскада по напряжению тем больше, чем больше выходное сопротивление каскада по сравнению с 13 EMBED Equation.3 1415 и чем больше статический коэффициент 13 EMBED Equation.3 1415
В идеальном усилителе напряжения (13 EMBED Equation.3 1415), который работает в режиме холостого хода (13 EMBED Equation.3 1415), коэффициент усиления будет максимальным и равным:
13 EMBED Equation.3 1415(2.33)
Коэффициент усиления по току определяется отношением тока в нагрузке 13 EMBED Equation.3 1415ко входному току13 EMBED Equation.3 141513 EMBED Equation.3 1415 Ток в базе и ток в нагрузке определяются следующими выражениями:
13 EMBED Equation.3 141513 EMBED Equation.3 1415 (2.34)
Подставив полученные соотношения в выражение для коэффициента усиления по току, получим:
13 EMBED Equation.3 1415(2.35)
В идеальном усилителе тока (13 EMBED Equation.3 1415), который работает в режиме короткого замыкания (13 EMBED Equation.3 1415), имеем 13 EMBED Equation.3 1415.


Рисунок 1.26 Эквивалентная схема усилительного каскада в схеме с ОЭ в диапазоне низких частот

При работе каскада в схеме с ОЭ в диапазоне низких частот необходимо учитывать емкости разделительных конденсаторов 13 EMBED Equation.3 1415, 13 EMBED Equation.3 1415 и13 EMBED Equation.3 1415 Поскольку сопротивления конденсаторов на низких частотах возрастают, то эквивалентная схема каскада имеет следующий вид (рис. 1.26). Сначала рассмотрим влияние разделительного конденсатора 13 EMBED Equation.3 1415на изменение коэффициента усиления по напряжению:
13 EMBED Equation.3 1415(2.36)
где 13 EMBED Equation.3 1415 сопротивление емкости, 13 EMBED Equation.3 1415
Отношение коэффициента усиления на низких частотах к коэффициенту усиления на средних частотах равно
13 EMBED Equation.3 1415(2.37)
где 13 EMBED Equation.3 1415 постоянная времени входной цепи усилительного каскада.
Коэффициент частотных искажений определяется выражением
13 EMBED Equation.3 1415 (2.38)
Для уменьшения частотных искажений при прочих равных условиях необходимо увеличивать 13 EMBED Equation.3 1415
Коэффициент частотных искажений, вносимый разделительным конденсатором 13 EMBED Equation.3 1415, определяется следующим выражением:
13 EMBED Equation.3 1415(2.39)
где 13 EMBED Equation.3 1415
Рассмотрим влияние емкости 13 EMBED Equation.3 1415 на частотные искажения. Предположим, что 13 EMBED Equation.3 1415и в первый момент времени после поступления входного сигнала влияние 13 EMBED Equation.3 1415 несущественно. По мере зарядки 13 EMBED Equation.3 1415уменьшается эмиттерный ток, а следовательно, и ток базы. Когда емкость 13 EMBED Equation.3 1415 зарядится полностью, то через нее не будет протекать ток. Сопротивление в эмиттерной цепи будет равно 13 EMBED Equation.3 1415вместо начального значения13 EMBED Equation.3 1415.Это приведет к уменьшению тока базы и изменению коэффициента усиления по напряжению. В этом состоит принципиальная особенность влияния емкости 13 EMBED Equation.3 1415на частотные искажения. Постоянная времени равна произведению 13 EMBED Equation.3 1415 на параллельное сопротивление 13 EMBED Equation.3 1415 и выходного сопротивления каскада со стороны эмиттера транзистора, т.е. выходного сопротивления каскада с ОК, величина которого не превышает десятков Ом:
13 EMBED Equation.3 1415
Коэффициент частотных искажений, вносимый 13 EMBED Equation.3 1415, максимальный и определяется выражением
13 EMBED Equation.3 1415(2.40)
Коэффициент частотных искажений в диапазоне низких частот, вносимый емкостями усилительного каскада, равен
13 EMBED Equation.3 1415дБ.

Рисунок 1.27 Эквивалентная схема усилительного каскада в схеме с ОЭ в диапазоне высоких частот

Для уменьшения 13 EMBED Equation.3 1415в усилительном каскаде в схеме с ОЭ требуется увеличивать 13 EMBED Equation.3 1415и 13 EMBED Equation.3 1415в большей степени.
При работе каскада с ОЭ в диапазоне высоких частот на частотные искажения сильное влияние оказывают емкость коллекторного перехода 13 EMBED Equation.3 1415и емкость нагрузки. Эквивалентная схема каскада в диапазоне высоких частот представлена на рис 1.27. Постоянная времени каскада с ОЭ в области высоких частот определяется выражением13 EMBED Equation.3 1415, тогда коэффициент частотных искажений в области высоких частот
13 EMBED Equation.3 1415

1.2.12 Усилительный каскад по схеме с общей базой

Усилительный каскад на биполярном транзисторе, включенном по схеме с общей базой, может использовать один или два источника питания. Рассмотрим каскад с ОБ с одним источником питания, принципиальная схема которого приведена на рис. 1.28, а. В этом каскаде для создания оптимального тока базы в режиме покоя 13 EMBED Equation.3 1415, обеспечивающего работу усилительного каскада на линейном участке входной характеристики, служат резисторы 13 EMBED Equation.3 1415и 13 EMBED Equation.3 1415. Конденсатор 13 EMBED Equation.3 1415имеет в полосе пропускания усилителя сопротивление значительно меньше 13 EMBED Equation.3 1415, и падение напряжения на нем от переменной составляющей тока мало, поэтому можно считать, что по переменной составляющей тока база соединена с общей точкой усилительного каскада. Входное напряжение подается между эмиттером и базой через разделительный конденсатор 13 EMBED Equation.3 1415. Выходное напряжение снимается между коллектором и базой через разделительный конденсатор 13 EMBED Equation.3 1415. Резистор 13 EMBED Equation.3 1415 служит для прохождения постоянной составляющей тока эмиттера и для того, чтобы 13 EMBED Equation.3 1415 не шунтировало входное сопротивление каскада, оно на два-три порядка выше этого сопротивления.

Рисунок 1.28Принципиальная (а) и эквивалентная (б) схемы усилительного каскада в схеме с ОБ

При подаче на вход рассматриваемого каскада положительной полуволны входного сигнала ток и эмиттера, и коллектора будет уменьшаться. Это приводит к уменьшению падения напряжения на13 EMBED Equation.3 1415и увеличению напряжения 13 EMBED Equation.3 1415, что вызывает формирование положительной полуволны выходного напряжения 13 EMBED Equation.3 1415. Полярности входного и выходного напряжений совпадают, схема не инвертирует входной сигнал.
Анализ работы усилительного каскада с общей базой по входным и выходным характеристикам проводится аналогично анализу работы каскада с ОЭ. Выходные характеристики транзистора в схеме с ОБ более линейны, чем в схеме с ОЭ, поэтому нелинейные искажения в этом случае меньше.
Расчет параметров усилительного каскада с ОБ по переменному сигналу в области средних частот проводится по эквивалентной схеме, представленной на рис. 1.28, б. На ней не показаны разделительные конденсаторы 13 EMBED Equation.3 1415, 13 EMBED Equation.3 1415и конденсатор 13 EMBED Equation.3 1415, с помощью которого заземляется база транзистора по переменному току, так как их номиналы выбраны такими, что емкостные сопротивления даже в области низких частот невелики и при анализе их можно не учитывать.
Входное сопротивление каскада определяется как параллельное соединение 13 EMBED Equation.3 1415 и входного сопротивления транзистора:
13 EMBED Equation.3 1415. (2.41)
Согласно выражению (2.41), входное сопротивление каскада определяется преимущественно сопротивлением эмиттерной области транзистора 13 EMBED Equation.3 1415и составляет 10...50 Ом. Малое входное сопротивление каскада является существенным недостатком. Каскад сОБ создает большую нагрузку для источника входного сигнала.
Выходное сопротивление каскада с ОБ определяется, как и у каскада с ОЭ, сопротивлением резистора 13 EMBED Equation.3 1415. При небольшом его значении (13 EMBED Equation.3 1415)
13 EMBED Equation.3 1415.(2.42)
и составляет единицы-десятки кОм. Если 13 EMBED Equation.3 1415соизмеримо с13 EMBED Equation.3 1415,то 13 EMBED Equation.3 1415.
Коэффициент усиления по току рассчитывается, как в каскаде с ОЭ. По переменной составляющей ток коллектора связан с током эмиттера следующей зависимостью: 13 EMBED Equation.3 1415 Входной сигнал поступает в цепь эмиттера транзистора, поэтому усиление по току меньше единицы и определяется выражением
13 EMBED Equation.3 1415 (2.43)
Это является другим существенным недостатком каскада с ОБ.
Коэффициент усиления по напряжению определяется с помощью эквивалентной схемы каскада по переменному сигналу как отношение амплитуды выходного сигнала к амплитуде входного сигнала и имеет вид
13 EMBED Equation.3 1415(2.44)
Коэффициент усиления по напряжению каскада сОБ существенно зависит от сопротивления нагрузки и внутреннего сопротивления источника сигнала. При 13 EMBED Equation.3 1415и достаточно большом 13 EMBED Equation.3 1415коэффициент усиления по напряжению каскада ОБ приближается к величине 13 EMBED Equation.3 1415 каскада ОЭ. Если же использовать последовательное соединение нескольких каскадов сОБ, то нагрузкой предыдущего каскада является очень малое входное сопротивление последующего, в связи с этим получить большой коэффициент усиления по напряжению не удается.
Коэффициент частотных искажений для области НЧ в каскаде ОБ определяется влиянием разделительных конденсаторов 13 EMBED Equation.3 1415, 13 EMBED Equation.3 1415и рассчитывается по тем же формулам, что и для схемы с ОЭ. Общий коэффициент равен
13 EMBED Equation.3 1415дБ.
Наибольшие частотные искажения вносятся входной цепью, ибо 13 EMBED Equation.3 1415 где 13 EMBED Equation.3 1415 выходное сопротивление предыдущего каскада.
Коэффициент частотных искажений в области ВЧ определяется, как и в схеме ОЭ, он значительно меньше, чем в каскаде с ОЭ. Каскад с ОБ характеризуется: малым входным сопротивлением (десятки Ом); относительно высоким выходным сопротивлением (единицы-десятки кОм); коэффициентом усиления по току меньшим единицы; коэффициентом усиления по напряжению, зависящим от сопротивления нагрузки; малыми нелинейными искажениями.




1.2.13 Усилительный каскад с общим коллектором
(эмиттерный повторитель)

Схема усилительного каскада с ОК приведена на рис. 1.29, а. Резистор, с которого снимается выходное напряжение, включен в эмиттерную цепь. Коллектор через очень малое внутреннее сопротивление источника питания по переменному сигналу (емкость источника питания велика) соединен с землей, значит, вывод коллектора является общим длявходной и выходной цепей усилителя.

Рисунок 1.29 Принципиальная (а) и эквивалентная (б) схемы усилительного каскада в схеме с ОК (эмиттерный повторитель)

Для каскада с ОК справедливо равенство
13 EMBED Equation.3 1415 (2.45)
Если выходное напряжение 13 EMBED Equation.3 1415значительно больше напряжения 13 EMBED Equation.3 1415, то оно приблизительно равно входному. В связи с этим каскад с ОК называют эмиттерным повторителем. Этот каскад относится к усилителям с глубокой отрицательной ОС по напряжению.
В режиме покоя, т.е. при13 EMBED Equation.3 1415, резисторы 13 EMBED Equation.3 1415и 13 EMBED Equation.3 1415 задают начальный ток смещения. Его значения выбирают таким, чтобы рабочая точка в режиме покоя находилась примерно посередине линейного участка входной характеристики. Разделительные конденсаторы 13 EMBED Equation.3 1415 и 13 EMBED Equation.3 1415выполняют те же функции, что и в каскаде с ОЭ.
В каскаде с ОК напряжение входного переменного сигнала подается между базой и коллектором (общей точкой) через разделительный конденсатор 13 EMBED Equation.3 1415. Выходное напряжение, равное падению напряжения на резисторе 13 EMBED Equation.3 1415 от переменной составляющей эмиттерного тока, снимается между эмиттером и коллектором через конденсатор связи 13 EMBED Equation.3 1415. Расчет каскада по постоянному току проводят по аналогии с каскадом с ОЭ. Анализ каскада по переменному сигналу проводят с помощью эквивалентной схемы, представленной на рис.1.29, б.
Входное сопротивление каскада ОК определяется параллельным соединением резисторов 13 EMBED Equation.3 1415 и сопротивлением входной цепи транзистора 13 EMBED Equation.3 1415:
13 EMBED Equation.3 1415 (2.46)
Входное сопротивление цепи транзистора равно
13 EMBED Equation.3 1415(2.47)
Анализ выражений (2.46) и (2.47) показывает, что сопротивление входной цепи транзистора 13 EMBED Equation.3 1415 и входное сопротивление каскада с ОК больше, чем в схеме с ОЭ. В практических схемах 13 EMBED Equation.3 1415достигает 200...300 кОм. Причем входное сопротивление не остается постоянным, а зависит от сопротивления нагрузки. Для его увеличения часто не включают в схему резистор 13 EMBED Equation.3 1415. Высокое входное сопротивление является одним из главных преимуществ каскада с ОК. Это требуется в случае применения каскада в качестве согласующего устройства при работе от источника входного сигнала с большим внутренним сопротивлением.
Выходное сопротивление каскада с ОК представляет собой сопротивление схемы со стороны эмиттера и определяется как
13 EMBED Equation.3 1415 (2.48)
Выходное сопротивление каскада с ОК мало, порядка 10...50 Ом, и сильно зависит от внутреннего сопротивления источника сигнала. Малое выходное сопротивление очень важно при использовании каскада в качестве согласующего устройства для работы на низкоомную нагрузку.
Коэффициент усиления по току в каскаде с ОК определяется следующим образом:
13 EMBED Equation.3 1415 (2.49)
где 13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415
Следовательно, 13 EMBED Equation.3 1415 равен:
13 EMBED Equation.3 1415(2.50)
Анализ выражения показывает, что каскад с ОК имеет коэффициент усиления по току больше, чем каскады с ОЭ и ОБ.
Коэффициент усиления по напряжению каскада с ОК относительно входного генератора равен 13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415(2.51)
Коэффициент усиления по напряжению каскада сОК меньше единицы,поэтому его часто называют коэффициентом передачи напряжения.
Эмиттерный повторитель обычно применяют для согласования высокоомного источника усиливаемого сигнала с низкоомным нагрузочным устройством. Температурная стабилизация в каскаде ОК обеспечивается резистором 13 EMBED Equation.3 1415.
Каскад с ОК характеризуется: высоким входным сопротивлением (сотни кОм), зависящим от сопротивления нагрузки; низким выходным сопротивлением (несколько Ом), зависящим от внутреннего сопротивления источника сигнала; высоким коэффициентом усиления по току; коэффициентом усиления по напряжению, меньшим единицы; совпадением по фазе входного и выходного напряжений.

Тема 1.3Многокаскадные усилители

1.3.1 Особенности построения многокаскадных усилительных трактов
С помощью одиночного каскада трудно обеспечить желаемое усиление сигналов, необходимые свойства усилительной схемы по ее входному или выходному сопротивлению, требуемые по условиям работы предельные значения выходных токов и напряжений. В связи с этим усилительные тракты приходится выполнять по многокаскадной схеме, включающей два и более последовательно соединенных каскадов.
В общей структуре многокаскадного усилительного тракта можно выделить три основных звена. Это входной каскад, один или несколько каскадов предварительного усиления, выходной или выходные каскады. На входной каскад помимо основной функции (функции усиления) возложена задача согласования выходного сопротивления источника сигнала с входным сопротивлением усилительного тракта. Под согласованием здесь понимаются мероприятия по повышению коэффициента передачи входной цепи, которое достигается в первую очередь за счет использования во входном каскаде схемных конфигураций с повышенным входным сопротивлением. Так, включение на входе усилительного тракта дополнительного каскада ОК или ОС хотя и не приводит к повышению коэффициента усиления по напряжению самого тракта, но приближает значение коэффициента передачи входной цепи в схеме рис. 1.2 к его предельному значению, равному единице. Во входном каскаде стремятся располагать и органы регулировки усиления, при этом цепи регулировки во избежание возможной перегрузки усилительного прибора сигналами большого уровня по возможности располагают до его входных зажимов.
В ряде случаев к усилительному тракту предъявляется требование предельной чувствительности. При этом схемное и конструктивное выполнение входного каскада должно быть реализовано с учетом его малошумного построения, предполагающего использование основных схем включения усилительного прибора (включений ОЭ и ОК), отказ от применения во входных каскадах полевых транзисторов с изолированным затвором.
Основной функцией каскадов промежуточного усиления является обеспечение основного усиления по напряжению. Обычно эти каскады обладают большим усилением, в связи с чем при их организации особое внимание обращается на обеспечение устойчивой и стабильной работы.
Выходные каскады предназначены для обеспечения в нагрузке требуемых обычно больших сигнальных токов и напряжений, т. е. больших сигнальных мощностей. Поэтому их часто называют усилителями мощности.

1.3.2 Способы межкаскадных связей

Усилители с непосредственными межкаскадными
связями.
В многокаскадной усилительной схеме сигналы с выхода предшествующего каскада передаются на вход последующего. Простейшей межкаскадной связью, с помощью которой осуществляется эта передача, является непосредственная связь. В ней входной зажим последующего каскада эквипотенциален с выходным предшествующего каскада как на постоянном, так и на переменном токе.

Рисунок 1.30 Схемы усилителей с непосредственными
межкаскадными связями

К схемам с непосредственными межкаскадными связями относятся двухтранзисторный усилительный тракт ОЭОБ (рис.1.30,а) в котором выходной (коллекторный) вывод первого каскада (каскада ОЭ на транзисторе VT1)непосредственно соединен с входным (эмиттерным) зажимом второго каскада (каскада ОБ на транзисторе VT2). На рис. 1.30,б приведен вариант схемного построениям ОЭОБ, работа которого требует наличия двух источников питания. В нем базовый вывод каскада ОБ непосредственно соединен с точкой нулевого потенциала, что упрощает по сравнению со схемой рис. 1.30,а структуру каскада, улучшает его частотные свойства в области НЧ.
Питание каскадов рис. 1.30, а, б организовано по, так называемой, схеме последовательного питания каскадов. При этой схеме выходные цепи каскадов образуют последовательное соединение, в результате в выходных цепях всех каскадов протекают практически одинаковые постоянные токи.
При питании каскадов по параллельной схеме выходные цепи каскадов по отношению к источникам питания образуют параллельное соединение, а выходные токи каскадов обычно имеют различающиеся значения. На рис. 1.31 приведены примеры такого построения схемы питания каскадов на постоянном токе для двухтранзисторных усилителей типа ОЭОЭ. Схемы усилителей организованы как тракты с непосредственными межкаскадными связями. При этом в схеме рис. 1.31,б осуществлено чередование транзисторов по типу проводимости. Такое чередование позволяет обеспечить в многокаскадных схемах с непосредственными межкаскадными связями работу транзисторов в линейной области ВАХ при относительно невысоких значениях напряжений источников питания.

Рисунок 1.31

К достоинствам непосредственных межкаскадных связей следует отнести простоту ее реализации, отсутствие при ее использовании низкочастотных искажений, возможность стабилизации режимов работы на постоянном токе усилительного тракта в целом за счет охвата этого тракта общей петлей ООС. Непосредственная связь широко используется в усилителях постоянного тока и в аналоговых микросхемах.

Усилители с гальваническими межкаскадными связями.

В аналоговых микросхемах и усилителях постоянного тока часто используется гальваническая межкаскадная связь, которая в отличие от непосредственной предполагает включение в цепь межкаскадной связи специальной потенциало-понижающей схемы, называемой схемой сдвига уровня (ССУ). Обычно в качестве ССУ используют резистивные цепи, прямо смещенные диоды или стабилитроны. В отличие от непосредственной связи гальваническая межкаскадная связь обеспечивает отличие постоянного потенциала на входе последующего каскада от соответствующего выходного потенциала предшествующего на определенную величину, называемую напряжением сдвига13 EMBED Equation.3 1415.
Работу схемы сдвига уровня стараются организовать таким образом, чтобы она не влияла на прохождение сигнальных составляющих. Примеры простейших схемных построений, обладающих указанными свойствами, приведены на рис. 1.32. В них в роли потенциально-сдвигающего элемента использован стабилитрон VD1. Дифференциальное сопротивление стабилитрона пренебрежимо мало, в результате чего он практически не влияет на прохождение сигнальных составляющих.


Рисунок 1.32
Более подробно принципы организации схем сдвига уровня будут рассмотрены в главе, посвященной базовым схемным конфигурациям, используемым при построении аналоговых микросхем.
Каскады и цепи с емкостной связью.
Широкое применение находит емкостная связь, при которой в качестве элемента связи выступает конденсатор, называемый разделительным. Конденсатор разделяет каскады по постоянному напряжению, объединяя их по переменной (сигнальной) составляющей. Этот вид межкаскадной связи применяется в усилителях переменного сигнала. Существенным недостатком емкостной межкаскадной связи является то, что в усилителях сигналов относительно невысоких частот, в том числе и в усилителях звуковых частот, во избежание существенных низкочастотных искажений требуется использовать конденсаторы большой емкости, что делает невозможным исполнение усилительного тракта в виде микросхемы. Кроме того, при построении усилительного тракта с использованием емкостной связи невозможно повысить стабильность и определенность режимов работы его каскадов за счет охвата тракта в целом соответствующей петлей ОС, так как в этом случае петля оказывается разомкнутой на постоянном токе внутри самого усилительного тракта. В то же время емкостные межкаскадные связи часто организуются специально с целью обеспечения дополнительной фильтрации сигналов в низкочастотной спектральной области. Частотные свойства типовой разделительной цепи определяются соотношением
13 EMBED Equation.3 1415

Трансформаторная межкаскадная связь.

Рисунок 1.33
Соединение двух участков сигнальной цепи с помощью трансформатора называется трансформаторной связью. К достоинству связи этого вида следует отнести то, что при ее применении выбором коэффициента трансформации можно обеспечить оптимизацию значения нагрузки усилительного прибора и тем самым реализовать возможность получения предельных значений сигнальной мощности, отдаваемой в нагрузку. В связи с этим трансформаторное подключение нагрузки к выходной цепи транзистора используется в оконечных каскадах усилителей мощности, где требуется получение больших сигнальных мощностей и высоких значений КПД. К недостаткам трансформаторной связи следует отнести ее неширокую полосу пропускания (малое значение отношения верхней граничной частоты полосы пропускания книжней), большие габаритные размеры трансформаторов, их массу и стоимость.
Пример использования трансформатора в качестве элемента межкаскадной связи приведен на рис. 1.33. Схема имеет типовое построение на постоянном токе, при этом постоянное напряжение на базу во втором каскаде вводится через вторичную обмотку трансформатора.

1.3.3 Оптроны как элементы межкаскадных связей и
гальванических развязок
В ряде случаев возникает потребность гальванической развязки отдельных звеньев усилительного тракта. При этом широкое применение находит оптоэлектронная развязка, основанная на включении в состав тракта оптрона. Пример такого схемного построения приведен на рис. 1.34. Здесь светодиод VD2выступает в роли преобразователя ток свет. Преобразование имеет нелинейный и температурно-зависимый характер, поэтому в схеме предусмотрена возможность охвата усилительного тракта петлей ООС, действующей как на постоянном, так и на переменном токе. В роли датчика, осуществляющего преобразование светового излучения в ток в этой петле, выступает один из фотодиодов (фотодиод VD1).


Рисунок 1.34Схема усилителя с оптроном
Сигнальный ток на входе транзистора VТ2образуется в результате преобразования свет ток, осуществляемого с помощью фотодиода VD3. Все фотодиоды работают при обратно смещенных переходах, так как при таком режиме они обладают наибольшей линейностью преобразования свет- ток, а также высокой чувствительностью и быстродействием. Разделяемые оптроном участки тракта питаются от различных источников13 EMBED Equation.3 1415и 13 EMBED Equation.3 1415, чем обеспечивается возможность осуществления полной гальванической развязки между разделяемыми участками тракта.

1.3.4 Составные транзисторы. Каскодная схема.
Составной транзистор. В качестве усилительного элемента может быть применён не только один транзистор, но и комбинация из двух или больше транзисторов. Такая комбинация называется составной транзистор. Поскольку составной транзистор рассматривается как единый УЭ, он имеет три электрода, эквивалентные базе, эмиттеру и коллектору обычного транзистора. Составной транзистор обладает свойствами, которые получить в обычных транзисторах либо трудно, либо практически невозможно. Наиболее часто составной транзистор представляет собой комбинацию из двух транзисторов с непосредственной связью между ними. Иногда это не только каскадно-соединенные транзисторы, но и комбинации из транзисторов и резисторов, включенных в цепь базы и эмиттера.
13 SHAPE \* MERGEFORMAT 141513 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415
Рисунок 1.35 Схемы составных транзисторов

В настоящее время составные транзисторы широко используются в усилительной технике: в аналоговых интегральных схемах, в современных усилителях с бестрансформаторным двухтактным выходом, в эмиттерных повторителях с большими выходными токами. Составные транзисторы целесообразно использовать и в том случае, когда для конкретного усилителя не удается подобрать транзисторы с нужными параметрами, выпускаемые промышленностью.
Пара Дарлингтона. Схемы наиболее часто применяемых составных транзисторов показаны на рис. 1.35. Наибольшее распространение получила схема рис. 1.35 а , известная в литературе под названием схемы (или пары) Дарлингтона.
Пару Дарлингтона можно включать по схеме с ОЭ, (ОК или ОБ, используя при этом транзисторы р-п-р пли п-р-п типа. Наибольший эффект дает включение составного транзистора по схеме с ОЭ и ОК; в схеме с ОБ усиление пары Дарлингтона мало отличается от усиления обычного транзистора. Действительно, из рис.1.35а следует
13 EMBED Equation.3 1415, 3.1)
где 13 EMBED Equation.3 1415 коэффициент усиления по току схемы с ОЭ первого и второго транзисторов соответственно. Тогда эквивалентный коэффициент усиления по току пары Дарлингтона
13 EMBED Equation.3 1415. (3.2)
Из (3.2) следует, что эквивалентный коэффициент усиления по ток у (Дарлингтона при включении ее по схеме с ОЭ практически равен произведению коэффициентов усиления транзисторов 13 EMBED Equation.3 1415 и 13 EMBED Equation.3 1415. Но если 13 EMBED Equation.3 1415 и 13 EMBED Equation.3 1415 имеют значения 50100, то 13 EMBED Equation.3 1415=(0,251)13 EMBED Equation.3 1415.
Аналогично можно показать, что при включении пары Дарлингтона по схемесОБ, результирующий коэффициент усиления по току
13 EMBED Equation.3 1415. (3.3)
Если транзисторы в паре Дарлингтона одинаковы, то из (3.3) следует что 13 EMBED Equation.3 1415. Транзисторы в паре Дарлингтона работают в разных режимах; ток превышает ток 13 EMBED Equation.3 1415 примерно в 13 EMBED Equation.3 1415. Поскольку коэффициент усиления сильно зависит от режима работы транзистора, а транзистор V2 (рис.3.6а) обычно работает при нормальном эмиттерном токе, то коэффициент усиления 13 EMBED Equation.3 1415 может быть существенно ниже13 EMBED Equation.3 1415.Это приведет тому, что эквивалентный коэффициент усиления пары Дарлингтона 13 EMBED Equation.3 1415 будет меньше по сравнению со значением, определяемым (3.2). Для выравнивания токов 13 EMBED Equation.3 1415 и 13 EMBED Equation.3 1415 параллельно эмиттерному переходу транзистора в пары Дарлингтона включают резистор, однако это несколько снижает эквивалентное усиление.


Рисунок 1.36 Каскодная схема

Граничная частота составного транзистора при включении его в схемy с ОБ несколько превышает граничную частоту наиболее высокочастотного из примененных транзисторов; для схем с ОЭ и ОК граничная частота оказывается несколько ниже граничной частоты наиболее низкочастотного из примененных транзисторов. Входное сопротивление составного транзистора в схемах с ОЭ и ОК при невысоком сопротивлении нагрузки больше, чем у отдельных транзисторов.
На рис. 1.35 бпоказана схема ещё одного составного транзистора с разными типами проводимостей р-п-р и п-р-п. Как следует из направлений результирующих токов, показанных на рис. 1.35б этот составной транзистор р-п-р типа. Его коэффициент усиления по току 13 EMBED Equation.3 1415 т. е. практически равен эквивалентному коэффициенту усиления по току пары Дарлингтона.
Каскодная схема. Вариантом составного транзистора является каскадная схема, представляющая собой последовательное включение по переменному току двух транзисторов (рис. 1.36). Входной транзистор V1 включён по схеме с ОЭ, выходной по схеме с ОБ. Выходной ток таре составного транзистора
13 EMBED Equation.3 1415.
Тогда эквивалентный коэффициент усиления по току 13 EMBED Equation.3 1415. Следовательно, коэффициент усиления эмиттерного тока при каскодном соединении мало отличается от соответствующего коэффициента усиления одного транзистора V1. Входное сопротивление каскодного усилителя определяется входным сопротивлением транзистора V1 и не зависит от сопротивления нагрузки; частота верхнего среза зависит от параметра транзистора V1 и сопротивления источника сигнала. Таким образом, каскодная схема по сравнению с обычным усилительным каскадом по схеме с ОЭ не даёт выигрыша по коэффициенту усиления и по входному и выходному сопротивлениям. Однако каскодный усилитель обладает важнейшим преимуществом – слабой связью между выходом и входом такого составного транзистора. Известно, что наличие в обычном транзисторе емкости Ск и сопротивления rк между коллектором и базой приводит к появлению обратной связи между выходом и входом транзистора, что вызывает ряд неприятных последствий в работе усилителя. Так, при определенных условиях это может вызвать самовозбуждение усилителя; такая обратная связь увеличивает входную емкость каскада, а следовательно, ухудшает его частотную характеристику.


б)
Рисунок 1.37
Хорошая развязка выхода и входа в каскодном усилителе объясняется тем, что нагрузкой транзистора V1 является малое входное сопротивление транзистора V2, включенного по схеме с ОБ, т, е. транзистор V1 каскодного усилителя работает практически в режиме короткого замыкания коллекторной цепи. При этом коэффициент усиления по напряжению транзистора мал, а следовательно, мало и напряжение обратной связи с выхода транзистора V1 на его вход. С другой стороны, ёмкость коллекторного перехода 13 EMBED Equation.3 1415 мало влияет на входное напряжение V2, так как база этого транзистора по высокой частоте замкнута на землю. Всё это резко уменьшает обратную связь между выходом и входом, повышает устойчивость усилителя. Помимо этого, в каскодном усилителе нелинейные искажения меньше, чем в обычном усилителе, собранном по схеме с ОЭ. Благодаря отмеченным особенностям работы каскодный усилитель нашёл широкое применение, особенно в резонансных каскадах. Каскодный усилитель выполняется и в микросхемных вариантах. Например, микросхема К118УН2 (рис. 1.37а) состоит из трех транзисторов, два из которых V2 иV3 образуют каскодный усилитель ОЭОБ. Третий транзистор V1 служит для создания необходимого режима работы транзисторов по постоянному току, он включен по схеме с ОЭ и охвачен обратной связью по напряжению через резистор RL. Вывод 3 можно использовать для подачи сигнала, если усилитель выполняется только на транзисторах V2 и V3. Подключением к выводу 13 конденсатора большой емкости обеспечивается заземление по переменному току базы транзистора V2. Микросхема может использоваться как с внутренней нагрузкой (резистор R5), так и с различными по характеру внешними нагрузками, включаемыми между выводами 7 и 10, При подаче сигнала на вывод 1 транзистора V1 обеспечивается его дополнительное усиление.
Принципиальная схема каскада усиления промежуточной частоты на микросхеме К118УН2 приведена на рис. 1.37б. Нагрузкой каскадного усилителя является избирательная система C5L2. Недостатком каскодных схем с последовательным соединением транзисторов является необходимость более высоких напряжений источников питания по сравнению с обычным каскадом.















Раздел 2 ОСНОВЫ АНАЛОГОВОЙ МИКРОСХЕМОТЕХНИКИ


Тема 2.1 Особенности элементов интегральной микросхемотехники

Всё больше узлов РЭУ выполняется на ИМС. При разработке принцип схем для интегральной технологии необходимо учитывать ряд особенностей:
В ИМС не могут быть изготовлены трансформаторы, катушки, конденсаторы большой ёмкости. Поэтому почти все ИМС разрабатываются без применения блокировочных и разделительных конденсаторов. Широко применяют эквиваленты электронных катушек индуктивности.
Точность получения заданных параметров отдельных интегральных элементов и их температура стабильность оказываются пониженными. В то же время наладка в ИМС невозможна. Всё это требует точных схемных решений и применение ООС по переменному и постоянному току.
Из всех элементов ИМС наименьшую площадь на подложке занимает транзистор. Поэтому резистор заменяют транзистором, применяя динамические нагрузки или генераторы стабильного тока.
В ИМС достигается высокая степень идентичности одинаковых элементов.
Особенность полупроводниковых ИМС – большое число транзисторов, выполняющие функции активных и вспомогательных компонентов.

2.1.1 Генераторы стабильного тока (ГСТ), генераторы малого стабильного напряжения (ГМСН) и схемы сдвига уровня

ГСТ – двухполюсник, ток которого почти не зависит от приложенного к нему напряжению. Его сопротивление для переменной составляющей тока будет в идеале бесконечно. Простейший ГСТ – транзистор с фиксированным смещением, так как его ток почти не зависит от Uk.
Для уменьшения зависимости ik от UK прибегают к следующей схеме:
В цепь эмиттера включается резистор ОС R1, а потенциал базы фиксируется делителем R2, R313 EMBED Equation.3 1415 образуется схема эмиттерной стабилизации ik, которая уменьшает нестабильность ik от Uk и температуры.
Для дальнейшей стабилизации включается диод VD (последовательно с R3).Он имеет отрицательный ТК прямого напряжения.Диод VD осуществляет термокомпенсацию тока через транзистор VT1.


Рисунок 2.1 Схемы генератора стабильного тока
ГСТ называют также стабилизаторами или эталонами тока, электронными резисторами и динамическими нагрузками.
Пример: транзистор VT2 является усилителем с общим эмиттером, а вместо Rk включен транзистор VT1 как ГСТ. Благодаря этому весь переменный ток транзистора VT2 протекает в сопротивление полезной нагрузки. Это увеличивает K и 13 EMBED Equation.3 1415.
В сущности назначение ГСТ – большое сопротивление для переменного тока и малое сопротивление для постоянного тока. Последнее обстоятельство обеспечивает малые потери на нём напряжение, а значит, и мощности, что выгодно отличает ГСТ от резистора (кроме того, резистор с большим сопротивлением занял бы много места на подложке)
ГМСН – это низковольтные (1В) стабилизаторы напряжения применяемые в ИМС для подачи смещения и др. Это пассивный двухполюсник, где напряжение не зависит от тока (в простейшем случае – диод VD, однако он стабилизирует напряжение до 0,7В, что недостаточно).

Рисунок 2.2 Схема генератора малого стабильного
напряжения

База транзистора VT включается к промежуточной точке делителя. Здесь 13 EMBED Equation.3 1415, а значит и 13 EMBED Equation.3 1415- стабильны.
Все приращение внешнего напряжения приложено к R1, что будет увеличивать ток через делитель и 13 EMBED Equation.3 1415, а 13 EMBED Equation.3 1415. Изменяя соотношение сопротивлений R1, R2 можно изменять
13 EMBED Equation.3 1415






Схемы сдвига уровня:

Рисунок 2.3 Схема сдвига нуля
Схемы сдвига уровня: так как в ИМС не используют разделительный конденсатор, то в цепях межкаскадных связей необходимо гасить (или сдвигать) уровень постоянного напряжения, и в то же время хорошо передавать переменное напряжение. Простейшее устройство стабилитрон, однако он даёт высокий уровень шума; транзистор VT1 служит эмиттерным повторителем и обеспечивает большое Rвх. В его эмиттерную цепь включают делитель сопротивления и ГСТ на транзисторе VT2. Так как 13 EMBED Equation.3 1415, то делитель незначительно ослабляет переменное напряжение, а постоянное сопротивление обеспечивает - UR, что и создает необходимый сдвиг.

2.1.2 Каскад на двух транзисторах с эмиттерной связью

Рисунок 2.4 Схема каскада на двух транзисторах с
эмиттерной связью

Схема каскада симметрична.Она содержит два транзистора с одинаковыми Rk и соединёнными эмиттерами, в общую цепь которых включён Rэ (через него протекают постоянные токи эмиттера). Каскад имеет 2 входа (на Б) и может работать:
в качестве фазоинверсного (использование одного входа и два выхода)
в качестве вычитающего (дифференциального)
Чтобы исходные постоянные напряжения на базах 13 EMBED Equation.3 1415 и тем самым получить возможность подачи входных сигналов без применения разделительного конденсатора, коллекторные и эмиттерные цепи должны питать от отдельных источников 13 EMBED Equation.3 1415, 13 EMBED Equation.3 1415 различающихся полярностью (что в интегральной технологии приемлемо). В этом случае каскад усиливает не только переменную, но и постоянную составляющую сигнала, т.е. является УПТ.
Проанализируем работу каскада. Под 13 EMBED Equation.3 1415 и 13 EMBED Equation.3 1415 будем понимать амплитуды напряжений переменного тока некоторой частоты (вплоть до нуля герц). Внутреннее сопротивление источников питания будем считать13 EMBED Equation.3 1415.

2.1.3 Работа каскада в качестве фазоинверсного

Пусть 13 EMBED Equation.3 1415, 13 EMBED Equation.3 1415. 13 EMBED Equation.3 1415 передаётся:
на собственный коллектор 13 EMBED Equation.3 1415
на коллектор VT213 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415
Знак «–» учитывает поворот 13 EMBED Equation.3 1415 напряжение при передаче с эмиттера на коллектор в схеме ОЭ
Передачу напряжения на коллектор транзистора VT2 можно условно разделить на 2 этапа:
1. Передача 13 EMBED Equation.3 1415 в точку соединения эмиттера 13 EMBED Equation.3 1415. Фаза напряжения не меняется.
2. Передача напряжения с эмиттера на коллектор. При этом транзистор VT2 работает по схеме с общей базой (база транзистора VT2 заземлена). Фаза напряжения не меняется
Из схемы следует, что 13 EMBED Equation.3 1415 - только часть 13 EMBED Equation.3 1415. Его можно найти, учитывая, что на 1 этапе транзистор VT1 работает как ЭП
13 EMBED Equation.3 1415, 13 EMBED Equation.3 1415,
Если 13 EMBED Equation.3 1415, 13 EMBED Equation.3 1415 (т.к. коэффициент передачи входного напряжения на эмиттер-база VT2 равен 13 EMBED Equation.3 1415, а на эмиттер-база транзистора VT1 равен 13 EMBED Equation.3 1415)
13 EMBED Equation.3 1415 и 13 EMBED Equation.3 1415равны по амплитуде и противоположны по фазе 13 EMBED Equation.3 1415 идеальный фазоинверсный каскад.
В случае, когда 13 EMBED Equation.3 1415– ограничен (в интегральной технологии затруднительно 13 EMBED Equation.3 1415)
13 EMBED Equation.3 1415для выравнивания необходимо увеличить 13 EMBED Equation.3 1415. В качестве 13 EMBED Equation.3 1415 в интегральной технологии используют ГСТ.

2.1.4 Работа каскада в качестве дифференциального

Дифференциальным (разностным) называют каскад, усиливающий разность напряжений
13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415при 13 EMBED Equation.3 1415 на каждом из выходов получаются усиленные разности 13 EMBED Equation.3 1415 и 13 EMBED Equation.3 1415.
При схеме 13 EMBED Equation.3 1415 между коллекторами:
13 EMBED Equation.3 1415
Выход между коллекторами называют дифференциальным13 EMBED Equation.3 1415 каскад нечувствителен к синфазным входным напряжениям – это очень ценное свойство (позволяет избавиться от наводимых помех на входе)
13 EMBED Equation.3 1415
т.е.на выход будут передаваться:
разностное входное напряжение 13 EMBED Equation.3 1415
синфазное напряжение 13 EMBED Equation.3 1415
коэффициент передачи 13 EMBED Equation.3 1415 равен 13 EMBED Equation.3 1415
коэффициент передачи синфазного13 EMBED Equation.3 1415
В большинстве случаев входные сигналы не является синфазными или противофазными, а содержат одинаковую синфазную и отличающуюся дифференциальные части
13 EMBED Equation.3 1415
В ДУ с полностью симметричными плечами синфазный сигнал по симметричному выходу полностью подавляется, а выходное напряжение пропорционально разности входных напряжений, т.е. их дифференциальной части (13 EMBED Equation.3 1415)
Выходное напряжение по несимметричным выводам, кроме полезной дифференциальной составляющей, содержит и синфазную составляющую (с коэффициентом передачи 13 EMBED Equation.3 1415)
Коэффициент, показывающий во сколько раз коэффициентом передачи синфазное входное напряжение меньше, чем дифференциального, называется коэффициентом ослабления синфазного сигнала(КОСС).
13 EMBED Equation.3 1415
Для увеличение КОСС вместе 13 EMBED Equation.3 1415 применяют ГСТ. Для уменьшения входного тока 13 EMBED Equation.3 1415 выбирают минимально необходимыми для обеспечения требуемой скорости нарастания (это скорость заряда некоторой ёмкости с током – подробно рассмотрим в главе об ОУ). Обычно 13 EMBED Equation.3 1415. Малый 13 EMBED Equation.3 1415 обуславливает низкий уровень шумов транзистора.
Дифференциальный каскад(ДК) широко применяется в ИМС благодаря основным свойствам (ДК – первый каскад ОУ):
Способность вычитать, т.е. нечувствительность к синфазным входным напряжениям. Это позволяет применять его для усиления дифференциальных сигналов и облегает подачу сигналов ОС, которые в интегральных усилителях всегда применяется.
Симметрия схемы, обеспечивающая малый дрейф нуля и слабую зависимость параметров от температуры и произвольного разброса параметров элементов, т.к. они отклоняются одинаково в обоих плечах, что не приводит к разбалансировке схемы (интегральная технология обеспечивает высокую идентичность).
Ненужность блокировочного конденсатора в цепи эмиттеров и, несмотря на это, большой коэффициент усиления дифференциального сигнала, равный 13 EMBED Equation.3 1415.
Если на входе ДУ установить транзистор VT и управлять его током, то будут изменяться токи транзисторов VT1 и VT2, а, значит, и их крутизна. Это позволяет создавать на основеДК усилители с управляемыми коэффициентом усиления и перемножители.

2.1.5 Токовое зеркало(ТЗ). Типовые схемы ТЗ

Токовым зеркалом (зеркалом тока, отражателем тока, эталоном тока) называется транзисторный узел, у которого токи двух сходящихся в одну точку ветвей равны, причём один из них (входной) управляет другим (выходным).


Рисунок 2.5 Структурные схемы токового зеркала

13 EMBED Equation.3 1415 – полный входной ток.
13 EMBED Equation.3 1415 – полный выходной ток.
Оба тока (а) стекаются в одну заземлённую точку. На выходную ветвь 2 подаётся 13 EMBED Equation.3 1415 (напряжение питания). 13 EMBED Equation.3 1415ТЗ очень мало: 13 EMBED Equation.3 1415, а 13 EMBED Equation.3 1415 - велико 13 EMBED Equation.3 1415 не зависит от13 EMBED Equation.3 1415, а определяется током 13 EMBED Equation.3 1415.
Коэффициент передачи зеркала по току является его основным показателем:
13 EMBED Equation.3 1415
ТЗ используются в качестве:
ГСТ
динамических нагрузок ДК, позволяя переходить от его симметричного выхода к несимметричному высокоомному (самое распространённое)
Пусть в исходном состоянии 13 EMBED Equation.3 1415.
Когда на дифференциальный вход (между базами) поступает некоторое 13 EMBED Equation.3 1415, 13 EMBED Equation.3 1415, например, увеличивается на 13 EMBED Equation.3 1415, а 13 EMBED Equation.3 1415 транзистора VT2 уменьшается на 13 EMBED Equation.3 1415. Ток 13 EMBED Equation.3 1415, поступает на вход ТЗ и поэтому будет повторён его выходной ветвью. Тогда выходной ток ДК определится разностью токов ветвей от точки а и составит 13 EMBED Equation.3 1415, т.е. будет равен сумме полезных отклонений токов обоих транзисторов (подразумевается, что выход нагружен на13 EMBED Equation.3 1415 другого каскада).
Если же на базе обоих транзисторов поступит относительно земли приращение синфазного 13 EMBED Equation.3 1415, то 13 EMBED Equation.3 1415 транзистора VT1, и 13 EMBED Equation.3 1415 транзистора VT2 увеличатся на 13 EMBED Equation.3 1415 и выходной ток равен нулю 13 EMBED Equation.3 1415 синфазный сигнал на выход не проходит, т.е. КОСС=
·.
Однако на практике входные и выходные токи ТЗ не равны и 13 EMBED Equation.3 1415. Тогда КОСС для схемы б):
13 EMBED Equation.3 1415









4.6 Типовые схемы ТЗ


Рисунок 2.6 Типовые схемы токовых зеркал

а) простейшая схема ТЗ
б) схема ТЗ с буферным транзистором
в) схема ТЗ со следящим напряжением питания VT2

а) В простейшей схеме базы присоединены к 13 EMBED Equation.3 1415. Точка 1- вход ТЗ; 2- выход ТЗ.
13 EMBED Equation.3 1415
Для увеличения КОСС необходимо 13 EMBED Equation.3 1415 (недостаток схемы – различие 13 EMBED Equation.3 1415 и 13 EMBED Equation.3 1415 на величину 13 EMBED Equation.3 1415)
б) Для уменьшения недостатка схемы а), т.е. приближают 13 EMBED Equation.3 1415, включают в качестве буферного. Он уменьшает разность токов ветвей в 13 EMBED Equation.3 1415 раз 13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415
Это достигается при равенстве всех транзисторов. Однако ток через транзистор VT3 меньше, чем через транзисторы VT1, VT2 во много раз. Для увеличения тока VT3 включают токоотводящий резистор.
Недостатком схем а), б) является низкое 13 EMBED Equation.3 1415ТЗзависит от 13 EMBED Equation.3 1415, которое в случае высокоомной нагрузке м.б. значительным. Это приводит к разбалансу плеч, т.е. уменьшению 13 EMBED Equation.3 1415. Для уменьшения разбаланса применяют схему со следящим напряжением питания транзистора VT2.
Здесь эмиттер транзистора VT3 повторяет 13 EMBED Equation.3 1415транзистора VT1, благодаря чему 13 EMBED Equation.3 1415транзистора VT1 и 13 EMBED Equation.3 1415транзистора VT2 почти одинаковы и не зависят от 13 EMBED Equation.3 1415. 13 EMBED Equation.3 1415 практически такой же, что и в предыдущем случае. Однако здесь схема не разбалансируется под действием выходного напряжения, т.е. работоспособна при более высокоомной нагрузке.














2.1.6 Усложнённые входные дифференциальные каскады(ДК)


Рисунок 2.7 Схема усложнённых входных дифференциальных каскадов

Простой ДК с ТЗ имеет 2 недостатка:
1. Содержит транзистор разных типов проводимости (транзистор p-n-p в ИМС имеют малые 13 EMBED Equation.3 1415 и низкие 13 EMBED Equation.3 1415)
2. В усилителе с таким каскадом на входе может наблюдаться триггерный эффект. В случае большого перепада входное напряжение один из транзисторов может открыться до насыщения. В отличие от нормального усилительного режима передачи 13 EMBED Equation.3 1415 не сопровождается переворотом 13 EMBED Equation.3 1415. Если путь 13 EMBED Equation.3 1415 входит в петлю ОС, охватывающую весь интегральный усилитель(ИУ), ООС может превращается в ПОС и ИУ, подобно триггеру, скачком переходит в одно из крайних состоянии (или в режиме отсечки, или в режиме насыщения). Для возвращения ИУ в нормальный режим достаточно на короткое время отключить питание.
Для устранения рассмотренных недостатков входной ДК часто строят на последовательно включённых транзисторных парах по схеме ОК-ОБ. Такая схема уже не является схемой с эмиттерной связью.
Транзисторы VT1 и VT2 включены как ЭП(ОК). Это повышает 13 EMBED Equation.3 1415. Транзисторы VT3, VT4, включены по схеме ОБ, причём постоянство 13 EMBED Equation.3 1415 обеспечивается противофазностью базовых токов дифференциального сигнала. Ввиду включенных VT3, VT4 с ОБневысокие13 EMBED Equation.3 1415 и 13 EMBED Equation.3 1415 этих p-n-p транзистора сказывается слабо. Благодаря структуре 13 EMBED Equation.3 1415перегрузка по входу не вызывает скачка фазы на 180°, т.к. в этих схемах передача сигнала происходит без поворота фазы 13 EMBED Equation.3 1415 триггерный эффект исключается.
Суммарный ток коллекторов транзисторов VT1, VT2 задаётся генератором тока (ГСТ) 13 EMBED Equation.3 1415 с помощью ТЗ: VT8, VT9, а в качестве третьего транзистора - цепь VT1 - VT4. Это сложное зеркало жёстко стабилизирует суммарный ток 13 EMBED Equation.3 1415, препятствует его изменениям под действием синфазного входного напряжения, и тем улучшает подавление синфазные помехи. Для синфазных токов здесь действует глубокая ООС (увеличение токов VT1, VT2 13 EMBED Equation.3 1415 увеличение токов VT8, VT9, что приводит к уменьшению токов баз VT3, VT4, т.к. ток 13 EMBED Equation.3 1415 не меняется, следовательно, коллекторных токов VT1 - VT4)
[Коллекторные токи VT3, VT4 поддерживаются постоянными ТЗ на VT6, VT7, VT5]
Недостатками этой схемы является:
сравнительно малый коэффициент усиления (ООС)
высокие потенциалы коллекторов VT1, VT2 при отсутствии сигналов на входе (потенциал будет равен 13 EMBED Equation.3 1415 необходимо понижать уровни напряжений)
Поэтому чаще всего применяют входные каскады на транзисторах типа супербэта.
2.1.7 Входные каскады на транзисторах супер-бэта

Биполярные транзисторы со сверхвысокими усилением по току(13 EMBED Equation.3 1415), называемые транзистором типа супер-бэта, применяют во входных ДК для уменьшения входных токов и повышения дифференциального входного сопротивления. Однако для получения сверхвысоких13 EMBED Equation.3 1415 приходится делать очень тонкую базу, вследствие чего такие транзисторы имеют низкое пробивное напряжение (13 EMBED Equation.3 1415).
Поэтому транзисторы типа супер-бэта включают по специальным схемам, обеспечивающим малое 13 EMBED Equation.3 1415.

Рисунок 2.8 Схема входного каскада на транзисторах
супер-бэта

Такая схема применена в ОУ 140УД14. Транзисторы VT1, VT2 – имеют сверхвысокие 13 EMBED Equation.3 1415 и включены как ДК с эмиттерной связью и ГСТ в цепи эмиттеров, условно обозначенного 13 EMBED Equation.3 1415. 13 EMBED Equation.3 141513 EMBED Equation.3 1415являются включённые сОБVT3, VT4. Неизменность потенциалов их баз обеспечивается благодаря противофазности переменных составляющих их базовых токов.
От ГСТ13 EMBED Equation.3 1415 питается ГМСН, выполненный на транзисторах VT5 и VT6. Он задаёт между точками аи б U=1,4В. Оно близко к сумме 13 EMBED Equation.3 1415(13 EMBED Equation.3 1415). Благодаря этому транзисторы VT1 и VT2 работают при13 EMBED Equation.3 1415. Это не только предотвращает их пробой, но и снижает до 0.
Низкоомные нагрузки транзисторов VT1, VT2, близкие к13 EMBED Equation.3 1415, снижают 13 EMBED Equation.3 1415 до 13 EMBED Equation.3 1415, что снижает входную ёмкость. Усиление по напряжению U обеспечивают транзисторы VT3, VT4. Ёмкость их коллекторных переходов не подключена к базе входов транзисторов VT1, VT2, поэтому не создаёт паразитной ОС.
Для защиты транзисторов VT1, VT2 от пробоя Uвх.дифф. между их базами включается встречно-параллельно БЭ двух дополнительных транзисторов.

2.1.8 УНЧ на интегральных микросхемах

УНЧ на интегральных микросхемах - это апериодические усилители, охваченные общей или местнойОС, или обеими одновременно. Они содержат большое число вспомогательных выводов, которые придают им универсальность, расширяют область применения.

Рисунок 2.9 Схемы УНЧ на интегральных микросхемах
Первый каскад (на транзисторе VT1) собран по схеме с ОЭ, второй каскад (VT2):
ОЭ, если выходной сигнал снимается с выводов 8,9
ОК – выходной сигнал снимается с 11 вывода
Выводы 3,5,10,11 (если он не выход), служат для подключения внешних конденсаторов, осуществляющих частотную коррекцию. Конденсатор к выводу 10 с R3 образуют фильтр в коллекторной цепи транзистора VT1 для уменьшения опасности возбуждения усилителя. При подключения конденсатора к выводам 3,5,11 ООС отсутствуют по переменному сигналу остаются местные ООС по току (R2, R7). R4, R5 обеспечивают смещение на эмиттерном переходе транзистора VT1 и одновременно образуют общую ООС усилителя.
Если требуется обеспечить высокоеRвх интегрального усилителя, в его входном каскаде используют полевые транзисторы. Примером такого усилителя служит ИМС типа К284УЕ1.
Резистор R5 является нагрузкой в цепи истока ПТVT1 и частью коллекторной нагрузки БТVT2; одновременно R5 является элементом последовательной ООС по напряжению. R6 служит для защиты VT2 при коротком замыкании на выходе. Навесной резистор исключает шунтирование входа усилителя делителем R1, R2.
Рассмотренный усилитель может применяться в качестве входного каскада чувствительных усилителей, выходного каскада при передаче сигналов по кабелю (т.к. имеет малое Rвых) и других устройств, требующих большого Rвх и малого Rвых и стабильного К.

2.1.9 Широкополосные интегральные усилители(ШИУ)

Большинство современных ШИУ обладают универсальными свойствами, т.е. могут применяться для усиления импульсных или других широкополосных сигналов в различных узлах РЭО.
Данный ШИУ усиливает положительные видеоимпульсные. Усилитель имеет 2 входа: потенциальный 12 и импульсный 11. Применена комбинированная стабилизация: эмиттерная – R4; коллекторная - R2. Нагрузкой по постоянному току является резистор R3. Усилитель имеет следующие параметры:
13 EMBED Equation.3 1415.
В качестве импульсных усилителей и ВУ широко применяются двухкаскадные ШИУ, или так называемые токовые двойки. Примером такого усилителя является ИМС К 118УП1. Они представляют собой двухкаскадные усилители с параллельной ООС по току. К усиления можно изменять в широких пределах путём подбора параметров цепей ОС.
Вход 11-усиление переменной состовляющейю, 4-эмитерная стабил.,применены и колекторная и эмиторная стабилизация,С-можно выбирать малой.Обратная связь-VT2(12-ОК, если 10-ОЭ).VT4-сосредоточена большая ёмкость.Цепь коррекции импульсного сигнала рис.3.


Рисунок 2.10 Схемы широкополосных интегральных
усилителей

Напряжение смещения подаётся на базу транзистора VT1 через R2 с нелинейного делителя R4, R5 и транзистор VT3. Эти же элементы образуют цепь ООС. Глубину ООС можно изменять в широких пределах путём изменения напряжения, подаваемого на базу транзистора VT3 (через вывод 5)
Транзистор VT4 является элементов ВЧ – коррекции: используется зарядные ёмкости его обратно смещённых эмиттера и коллектора p-n переходов. При необходимости между выводами 12, 14 подключаются дополнительный конденсатор.
3-я схема. Кроме такого способа коррекции применяются коррекция двухполюсником. Это ГСТ, включённый в цепь эмиттера. Этот ГСТ, который в интегральной технологии легко реализуем, имеет корректирующую цепь 13 EMBED Equation.3 1415.
Достоинством эмиттерной коррекции является высокая устойчивость усиления, повышенная стабильность параметров, возможность изменения полосы пропускания иК в широких пределах.
В ШИУ применяются и индуктивная ВЧ – коррекция с помощью эквивалентов индуктивностей (на основе ОУ).

2.1.10 Оконечные каскады интегральных усилителей

Для повышения степени использования напряжения и тока питания, понижения мощности потерь, особенно в состоянии покоя, оконечные каскады современных интегральных усилителей, делаются двухтактными и работают в режиме АВ.13 EMBED Equation.3 1415cтроят по схеме с параллельным управлением плечами, причём в маломощных усилителях каждое плечо выполняется на одиночных транзисторах разного типа проводимости, включённых эмиттерными повторителями.
Рис.2.11.1-для мощьных усилителей, 2-для слабых.
2-схема с ОК.

Рисунок 2.11 Схемы оконечных каскадов интегральных
усилителей

Типичная схема маломощного каскада содержит оконечные транзисторы VT4, VT5. Режим АВ задаётся смещением, получаемым с помощью ГМСН в виде диодов VD1, VD2, через которые протекает ток предоконечного транзистора VT1, нагруженного на ГСТ (изображён эквивалентным генератора тока 13 EMBED Equation.3 1415. Вместо диодов VD1, VD2 может применяться схема на транзисторах).
Транзисторы VT2, VT3 и сопротивления R2, R3 представляют схему защиты транзисторов VT4, VT5 от перегрузки большим током, возникающим в случае короткого замыкания нагрузки. Плечи каскада работают поочерёдно. Поэтому достаточно рассмотреть работу схемы защиты только одного плеча, например верхнего, когда ток нагрузки протекает через транзистор VT4. Если ток увеличивается настолько, что падение напряжения на R2 достаточно для открывания транзистора VT2, его сопротивление уменьшится и зашунтирует транзистор VT4, предотвращая дальнейшее увеличение его тока. В другой полупериод усиливаемого колебания аналогично работают транзистор VT3 и сопротивление R3. Такую схему защиты широко применяют в ОУ, где типичные сопротивления R2, R3 составляют 2050 Ом.
Выходные каскады мощных интегральных усилителей имеют некоторые особенности. Для уменьшения тока покоя транзистора VT1 оконечные транзисторы плеч делают составными. В нижнем плече первый транзистор VT4 берётся p-n-p с малым 13 EMBED Equation.3 1415. Поэтому для обеспечения достаточного усиления 13 EMBED Equation.3 1415 в качестве второго транзистора применяют составной транзистор.
Для получения большого КПД, часто предусматривают возможность подачи в точкуа напряжение вольтодобавки. Для этого точки а, б выводят из микросхемы. Вместо резистора нагрузкиRк может применяться ГСТ, как, например, в микросхеме К174УН7. Для защиты оконечных транзисторов может применяться вышерассмотренная схема, однако сопротивления R2, R3 не встраивают внутрь микросхемы во избежание её перегрева, а подключают внешние детали.

Тема 2.2Интегральные операционныеусилители

2.2.1 Основные параметры и типы ОУ

Операционные усилители (ОУ) – многокаскадные усилители постоянного тока (УПТ) с дифференциальным входным каскадом, работающие с глубокой отрицательной обратной связью (ООС).
Термин операционные усилители возник в 1947 году от первоначального назначения этих усилителей для выполнения математических операций над непрерывными электрическими сигналами в аналоговых вычислительных машинах. В то время ОУ строили на электронных лампах; в настоящее время в виде полупроводниковых интегральных микросхем (ИМС), имеющих миниатюрные размеры, низкую стоимость, которые являются самыми универсальными усилительными узлами РЭО.


Рисунок 2.12

Согласно ГОСТ 2.759-82 на схемах операционный усилитель (ОУ) обозначаются прямоугольником (2.12), в верхней части которого изображаются равносторонний треугольник, указывающий
направление передачи. Оба вывода входов делают с одной стороны, как правило, слева: инвертирующий вход обозначают “o”. В прямоугольнике разграничивают дополнительные одно или 2 поля, расположенные по обе стороны от основного. На них указывают назначение дополнительных выводов ОУ, например питания, коррекции, корпуса. Для получения нулевых исходных значений входов и выходов применяют 2 источника питания, (единицы, десятки В).

Основные параметры ОУ:

Коэффициент усиления дифференциального сигналаравен отношению выходного напряжения к вызвавшему дифференциальному входному сигнала при отсутствии ОС при некотором :

Напряжение смещения показывает, какое напряжение необходимо подать на вход ОУ (0.050.15мВ) для того, чтобы . Это является следствием источного согласования входных транзисторов.
КОСС (коэффициент ослабления синфазного сигнала)- показывает, во сколько раз коэффициент усиления дифференциального сигнала больше коэффициента усиления синфазного входного сигнала:
дБ (на НЧ).
Чем больше КОСС, тем лучше ОУ, тем точнее он может выделить дифференциальный входной сигнал на фоне синфазной помехи.
Максимальное входное синфазное напряжение – это напряжение источника тока, приложенное к обоим входам одновременно (относительно земли), при котором КОССна переменном токе уменьшается в 2 раза (на 6 дБ)
Входное сопротивление.В зависимости от подаваемого сигнала бывает:
дифференциальное – это сопротивление со стороны любого входа, когда другой вход соединен с землёй. Составляет: десятки кОм – сотни Мом. Такое большое входное сопротивление получается за счёт входного ДУ.
синфазное – сопротивление между замкнутым выводом и землёй. Минимальное значение: десятки МОм. На несколько порядков выше, чем .
Выходное сопротивление – определяется схемой оконечного каскада ОУ (как правило, ЭП) и не превышает 100 Ом.
Температурный дрейф напряжения смещения равен отношению максимально измененного к вызвавшему его изменению температуры:
[ мкВ/ град]
Температурный дрейф является причиной температурных погрешностей устройств с ОУ.
Максимальное выходное напряжение – определяется предельным выходным напряжением ОУпри заданныхи , обеспечивающих стабильную работу ОУ. Максимальное выходное напряжение на 1..5В ниже .
Максимальный выходной ток – ограничивается выходного каскада ОУ.
Потребляемая мощность – мощность, рассеиваемая ОУ при отключённой нагрузке.
Частота единичного усиления – частота входного сигнала, при котором . У интегральных ОУ 13 EMBED Equation.3 1415= 1000 МГц.Выходное напряжение на этой частоте ниже, чем выходное напряжение при постоянном токе примерно в 30 раз.
Верхняя граничная частота (частота среза) - частота, при которой коэффициент усиления снижается в раз (на уровне 0,707). Она оценивает полосу пропускания ОУ и составляет десятки МГц.
Максимальная скорость нарастания выходного напряжения. Этот параметр указывается для широкополосных и импульсных устройств на основе ОУ. Она характеризует быстродействие ОУ в режиме большого сигнала – определяется наибольшей скоростью изменения при действии на входе импульса прямоугольной формы с амплитудой, равной :
= 0.1100 В/мкс.
Время установления выходного напряжения – (от уровня 0.1 до уровня 0.9 .)
Напряжение шумов– определяется при =0.

2.2.2 Классификация операционных усилителей (ОУ).
Устройство ОУ. Требования к ОУ.

ОУ общего применения
Применяют в РЭО, имеющим суммарную погрешность на уровне 1%. У них полностью отсутствуют или имеется малое число дополнительных внешних компонентов, частота единичного усиления невелика (=1 МГЦ).
2. Прецизионные ОУ
3. Микромощные ОУ – малое потребление мощности от.
4.Быстродействующие ОУ - =10 МГЦ и увеличивается скорость нарастания.

По принципу действия ОУ:
усилители напряжения;
усилители мощности;
Современные опреационные усилители (ОУ) выполняются двух каскадными, трехкаскадными. Входным каскадом служит дифференциальный каскад с большим коэффициентом усиления (дифференциального сигнала), большим , КОСС, малочувствительным к дестабилизационным факторам.
Промежуточный каскад осуществляет усиление напряжения и тока ОУ, согласует входной и выходной каскады. Для увеличения коэффициента усиления по напряжению , часто используются динамические нагрузки.
Он может строится по симметричной и по несимметричной схеме.
Оконечный каскад ОУ должен обладать сравнительно большими входным сопротивлением, чтобы не перегружать промежуточный каскад, и малым выходным сопротивлением. Такие требования можно выполнить с помощью эмиттерных или истоковых повторителей. Однотактные эмиттерные или истоковые повторители имеют низкий КПД. В связи с этим выходные каскады выполняются двухтактными, работающими в режиме АВ.
Требования, предъявляемые к параметрам ОУ, зависят от выполненных им функций. Одновременно улучшение всех параметров выдвигает противоречивые требования к схеме и её изготовлению. Всё это объясняет разнообразие ОУ, у которых оптимизированы лишь конкретные параметры за счёт ухудшения других.
Так в измерительной аппаратуре, используются прецизионные ОУ, обладающие большим коэффициентом усиления, входным сопротивлением, малыми шумами и напряжением смещения . А быстродействующие ОУ должны обладать большой амплитудой нарастающего выходного напряжения, большой полосой пропускания и малым (время установления выходного напряжения). Такие ОУ нашли применение в импульсных широкополосных усилительных устройствах, АЦП (аналого-цифровые преобразователи).
Для создания компараторов, которые служат для сравнения мгновенных значений двух напряжений, используются скоростные ОУ, работающие в режиме переключения.




2.2.3 Амплитудно-частотные, фазочастотные,
амплитудные характеристики ОУ.

Так как все каскады ОУ имеют непосредственные (гальванические) связи, то АЧХ ОУ не имеют спада в области НЧ, а только в области ВЧ. Этот спад обусловлен ёмкостью монтажа усилителя и ёмкости переходов транзистора. С ростом частоты ёмкостное сопротивление ОУ падает, возникает ёмкостная составляющая сопротивления сигнала, что приводит к уменьшению переменного сигнала в нагрузке и коэффициента усиления:

где – коэффициент усиления по напряжению операционного усилителя ОУ без обратной связи (ОС), f – рабочая частота, – граничная частота (коэффициент усиления падает в 13 QUOTE 1415 раз или на 3 дБ).
Если , то:

Для удобства, наглядности и компактности при построении АЧХ коэффициент усиления по напряжению измеряют в дБ, ачастоту откладывают в масштабах lg. Такая характеристика называется ЛАЧХ:

Спад принято выражать в дБ/октаву, дБ/декаду.
Октава - изменение (увеличение или уменьшение) частоты в 2 раза.
Декада - изменение (увеличение или уменьшение) частоты в 10 раза.
Рассмотрим спад ЛАЧХ в диапазоне:. Изменение коэффициента усиления будет равно:

Если f2 =2f1 ,то 13 EMBED Equation.3 1415 =20 lg(1/2)= -6 дБ (в 3раза)
Если f2 =10f1 ,то 13 EMBED Equation.3 1415 =20 lg(1/10)= -20 дБ (в 10раз)
20 дБ/декаду = 6 дБ/октаву

Рисунок 2.13 ФЧХ ОУ

ФЧХ описывается выражением:
Реальная ФЧХ отличается от идеальной незначительно (<6°). На частоте среза (граничной частоте) фазовый сдвиг составляет 45°, а на частоте 10сдвиг не превышает 90°.

Рисунок 2.14 Амплитудные (передаточные) характеристики ОУ
Амплитудные (передаточные) характеристики ОУ (рис.5.3), представляют собой 2 кривые (инвертирующий и неинвертирующий входы). Режимам открытого или закрытого выходного каскада ОУ соответствуют горизонтальные участки характеристики и , близкие к . Наклонный участок кривых соответствует зависимости , угол наклона соответствует коэффициенту усиления по напряжению.

Инвертирующий усилитель

Так как операционный усилитель (ОУ) имеет большой коэффициент усиления по напряжению , то даже малое дифференциальное входное напряжение, которое может возникнуть из-за ассиметрии входного каскада или нестабильности элементов входной цепи, способно перегрузить ОУ и вызвать смещение от 0 до . Тогда ОУ окажется в состоянии насыщения и потеряет способность усиливать. Кроме того зависит от температуры и .
Вследствие указанных причин ОУ почти всегда применяется с глубокой ОС, которая обеспечивает получение хорошей стабильности и нуля выходного напряжения. Чаще других применяются параллельная ООС по напряжению.


Рисунок 2.15 Схемы инвертирующего усилителя на базе ОУ с внешней ООС (без цепи питания и частотной коррекции)

Это базовая схема, на основе которой строятся почти все остальные. Название усилителя говорит о том, что входной сигнал должен подаваться на инвертирующий вход. Сигнал ОС тоже должен подаваться на инвертирующий вход (только тогда ОС (OOC). Также ОС оказывается параллельной и по напряжению.
Для идеального ОУ:
Учитывается также, что ограничено , и можно считать 13 QUOTE 1415

Следовательно, ток , протекающий через резистор R1, равен току , протекающий через . Так как , то всё входное напряжение падает на резисторе R1:

а всё выходное напряжение падает на резисторе :
.
Отсюда коэффициент усиления по напряжению инвертирующего усилителя с ОС:

Входное сопротивление:

Выходное сопротивление:, так как даже без ОС ; кроме того, здесь ОС – отрицательная по напряжению, она понижает выходное сопротивление; глубина её бесконечна, так как
Уравнение показывает, что коэффициент усиления инвертирующего усилителя определяется только сопротивлением резисторов и не зависит от характеристик самого ОУ. Знак “–“ указывает на инвертирование.
Недостатком инвертирующего усилителя является невысокое(на практике 10 кОм). Выбрать большим нельзя, так как необходимо увеличивать . При высокоомных , инвертирующий усилитель становится неустойчивым из-за влияния входной дифференцирующей ёмкости. Простейший способ снижения – подключение его к выходу ОС через делитель , .
Коэффициент передачи от входааменьше, чем к зажимам выхода. Благодаря этому при том же требуемое оказывается большим, что и повышает входное сопротивление.

Неинвертирующий усилитель

В этом усилителе входной сигнал подаётся на неинвертирующий вход операционного усилителя (ОУ), а напряжение обратной связи (ОС – по-прежнему на инвертирующий вход через делитель , . Она оказывается последовательной отрицательной обратной связью (ООС) по напряжению. При упрощённом анализе схемы:
Напряжение обратной связи снимаемое с делителя , , пропорционально выходному напряжению:



Рисунок 2.16 Схема неинвертирующего усилителя

Поскольку и подаются на разные входы операционного усилителя (ОУ), то для идеального операционного усилителя = и коэффициент усиления:

=> коэффициент усиления неинвертирующего усилителя больше, чем инвертирующего усилителя при одинаковых , ,и глубине обратной связи (ОС). Это обусловлено тем, что в инвертирующем усилителе входное напряжение (Uос) дополнительно ослабляется делителем , .
За счёт глубокой последовательной ООС и большого входного сопротивления операционного усилителя, входное сопротивление неинвертирующего усилителя велико и определяется следующим выражением:

Его анализ показывает, что с уменьшением , возрастает и может составлять десятки ГОм.
Благодаря глубокой ООС по напряжению и при одинаковой её глубине выходное сопротивление в неинвертирующем и инвертирующем усилителях мало и не превышает десятки Ом.
При увеличении глубины ООС в неинвертирующем усилителе уменьшается и при 100% ООС ()коэффициент усиления неинвертирующего усилителя => неинвертирующий усилителе становится повторителем напряжения. Так, как в повторителе всё выходное напряжение подаётся на вход, то необходимость в, отпадает. Для входной цепи можно записать:
;
=> =>
т.к. велик, то стремится к нулю.

Дифференциальный усилитель

Такой усилитель, как и ДК, предназначен для усиления разности двух входных напряжений, но в отличие от него охвачен глубокой отрицательной обратной связью (ООС).

Рисунок 2.17 Схема простейшего дифференциальный
усилитель, построенный на одном операционном усилителе (ОУ)

, подаются относительно земли. Схема является сочетанием инвертирующего и неинвертирующего усилителей, причём для выравнивания коэффициентов передачи с обоих входов, напряжение подаётся через делитель . Таким образом, на оба входа ОУ напряжения подаются через резистивные делители. Если коэффициенты передачи сделать одинаковыми т.е.

то коэффициенты передачи на выход усилителя для напряжений, будут одинаковыми и усилитель не будет чувствителен к синфазному входному напряжению, и выходное напряжение будет точно пропорционально ():


Для такого идеального вычитающего усилителя КОСС=13 EMBED Equation.3 1415.
На практике часто применяют более сложные дифференциальные усилители, построенные на двух и более операционных усилителях. Они обеспечивают лучшее подавление синфазной помехи и имеют высокие входные сопротивления.
Сдвиги нуля и их компенсация

Выходное напряжение любого усилителя с обратной связью (ОС):

Однако практически на выходе присутствует ещё некоторое дополнительное постоянное напряжение той или иной полярности, называемое выходным напряжением покоя, или напряжением сдвига нуля.
Это может привести к уменьшению неискажённой амплитуды , т.к. из-за сдвига начинается одностороннее ограничение полуволн. Если усиливаемый сигнал содержит постоянную составляющую, то напряжение сдвига, кроме того, является напряжением ошибки, изменяющим .
Сдвиг нуля характеризуется:

входными токами
разностью входных токов ().

Сдвиг от
Чтобы при закороченных между собой входными зажимами ОУ достаточно к дифференциальному входу операционного усилителя (ОУ) приложить извне некоторое постоянное напряжение. В справочнике оговаривается лишь его максимально возможное значение, соответствующее максимальному производственному отклонению. Полярность его неизвестна может быть любой.
Влияние входного тока
Приводимый в справочниках – среднее арифметическое постоянных токов баз транзисторов дифференциального каскада ОУ. Он мал и составляет единицы мкА. Из-за протекания инвертирующего входа через, на дифференциальном входе операционного усилителя (ОУ) даже привозникает некоторое постоянное напряжение, которое передаётся на выход. На входе оно почти целиком компенсируется благодаря ООС. Поэтому , а значит в резисторетокне ответвляется. Он весь протекает через.

Для компенсации сдвига выходное напряжение достаточно в вывод неинвертирующего входа ОУ включить . Благодаря равенству сопротивлений между любым из входов операционного усилителя (ОУ) и землёй, напряжения, создаваемые каждым из двух входных токов, взаимно компенсируется, т.к. направлены встречно.

Учёт разности входных токов
По аналогии с определением для входного тока, для разности :

Этот сдвиг компенсируется равенством , будет тем меньше, чем меньше сами =>уменьшение входных токов усилителей на ОУ, увеличение усилителей на ОУ – весьма актуальная задача.
Это можно достичь, если дифференциальный каскад построить (ДК) на полевых транзисторах, однако их существенный недостаток – неидентичность параметров двух интегральных полевых транзисторов. Поэтому на входе прецизионных ОУ применяют биполярные транзисторы типа в режиме микротоков. Токи баз очень малы, мВ. При этом даже необязательно включать .




Схемы ручной балансировки нуля

Для устранения разности выходного сдвига применяют также схемы подачи на вход небольшого постоянного компенсирующего напряжения, значение и полярность которого устанавливают подстройкой потенциометра.


Рисунок 2.18 Схема ручной балансировки нуля

Здесь с потенциометра можно подать на неинвертирующий вход небольшое постоянное напряжение любой полярности и отрегулировать его так, чтобы исходное.
Делитель уменьшает пределы регулировки и повышает его плавность. Во многих типах ОУ схема балансировки встраивается внутрь микросхемы. Наружу выводятся лишь точки подключения потенциометра.
Следует помнить, что сдвиг подвержен дрейфу (старение элементов, нестабильность параметров среды и ). Это приводит к нарушению точности балансировки.


Усилители переменного напряжения на базе ОУ.

Рассмотренные нами усилители на базе операционного усилителя (ОУ) являются усилителями постоянного напряжения. Но если отказаться от усиления постоянного напряжения и применить навесные разделительные конденсаторы, то можно строить усилители переменного напряжения. Их преимущества: уменьшение сдвига нуля .

Рисунок 2.19 Усилители переменного напряжения на базе ОУ

Разделительные конденсаторы целесообразно включать на входе. В случае неинвертирующего усилителя после конденсатора С2включается резистор R2 (схемы б, в)для пропускания на “землю”() постоянного входного тока.
Во всех трёх схемах 100% ООС по постоянному напряжению создаётся благодаря наличию конденсатора С1.Поэтому ЭДС смещения операционного усилителя передаётся на его выход, как и в неинвертирующем повторителе т.е. без усиления:

Если выбран так, что второе слагаемое во втором и третьем уравнениях обращается в нуль, то вместо него следует взять .
Для первой схемы (а) нижняя частота определяется постоянной времени:

Усилители переменного напряжения имеют преимущество - они могут применяться с одним .


























Тема 2.3 Устойчивость усилителей с обратной связью и способы ее обеспечения

Устойчивость работы усилителей с ООС

Если цепь обратной связи (ОС) разорвать и в разрыв подать , которое пройдёт по цепям усилителя, цепям ОС и на выходных зажимах создастся напряжение (рис 6.1).


Рисунок 2.20

Коэффициент передачи этой цепи – коэффициент петлевого усиления (возвратное отношение):

Разность F=1-Tназывается возвратной, а её модуль – глубиной связи.
Построим по формуле T+F=1векторную диаграмму (рис 2.21), на которой проведём окружность радиуса



Рисунок 2.21 Векторная диаграмма

Если на данной частоте точка В(конец вектора петлевого усиления) лежит внутри окружности, тоF< 1и связь – ПОС (положительная ОС),а если вне окружности тоF> 1и связь – ООС (отрицательная ОС).Эта окружность называется окружностью граничной обратной связи (ОС). Частоту, на которой полный фазовый угол , а коэффициент петлевого усиления, мы не рассматриваем т.к. на ней будет самовозбуждение т.е. усилитель превратится в автогенератор.
Автогенерация в усилителях с обратной связи (ОС) возникает при одновременном выполнении на некоторой частоте двух условий:
Баланс амплитуд: петлевое усилениеТ = 1;
Баланс фаз: полный фазовый сдвиг петлевого усиления равен 0 или 360°;(ПОС)
Обычно усилители охвачены ООС. В этом случае на средних частотах полный фазовый сдвиг петлевого усиления . На нижних и верхних частотах появляются ещё частотно-зависимая составляющая (особенно за пределами граничных частот) суммарного фазового сдвига (особенно за пределами граничных частот) и тогда:

Тогда условие ’2” выполняется при.
Если усилитель самовозбуждается, то он загружен собственными колебаниями. Усиливаемый сигнал на их фоне трудноразличим, поэтому самовозбуждение усилителя недопустимо.

Критерии устойчивости Найквиста и Боде. Запасы устойчивости.

Для выяснения устойчивости усилителя с обратной связью (ОС)используют частотные критерии Найквиста и Боде, указывающие, указывающие как сделатьусилителя с обратной связью(ОС)устойчивым.
Критерий Найквиста – усилитель, устойчивый и при замкнутой петле ОС, если годограф вектора петлевого усиленияТ(кривая, на которой проходит на комплексной плоскости конец вектора Т) не охватывает точку 1,0, называемую критической.

а) б) в)
Рисунок 2.22 Устойчивость усилителя с ОС. Критерий
Найквиста
а) годографТне охватывает критическую точку, ни на одной из частот одновременно выполнения баланса фаз и амплитуд не получается, поэтому самовозбуждение невозможно.
б) изменим частоту так, чтобы полный фазовый сдвиг петлевого усиления . Тогда T>1.На этой частоте возникнут автоколебания. => Годограф начинается и заканчивается в начале координат. В УПТ для получения замкнутого годографа . Изменение знака частоты Найквиста для УПТ является симметричным относительно реальной оси.
в)усилители с обратной связью (ОС)называется условно устойчивым: годограф пересекает действительную ось за пределами критической точки, но не охватывает её (применяется для реализации глубокой ООС).
Ввиду возможной неточности резисторов годографа вектора и его деформации в процессе эксплуатации усилителя предусматривается запас устойчивости, чтобы годограф не подходил близко к критической точке.
Здесь – запас по фазе, x – запас по модулю(дБ).
Один из способов: в пределах некоторого сектора годограф не выходил за пределы окружности радиуса .
Для усилителей на дискретных элементах: .
Для усилителей на ИМС: .


Рисунок 2.23 Запасы устойчивости

Критерий устойчивости Бодевытекает из критерия Найквиста и основывается на АЧХ и ФЧХ петлевого усиления. Частота, на которой петлевое усиление Т=1, называется критической (). Если на ней, то усилитель с ООС устойчив.
На частоте запас по фазе .

Рисунок 2.24 Устойчивость усилителя с ОС. Критерий
устойчивости Боде

Если зависимость построить в виде ЛАЧХ, которая для верхних частот подстроена, то определяется точкой пересечения с осью частот ЛАЧХ: . Обычно бывает, что известна ЛАЧХ не всей петли, а только усилителя без обратной связи 13 QUOTE 1415. Тогда целесообразно представить:.
На критической частоте:
Т=1; ; 13 QUOTE 1415;13 QUOTE 1415
где 13 QUOTE 1415 – сдвиг фазовой асимптоты ЛАЧХ 13 QUOTE 1415;
13 QUOTE 1415– сдвиг фазовой асимптоты ЛАЧХ ;
Следовательно, фазовый сдвиг определяется разностью наклонов к горизонтали двух ЛАЧХ.
Критерий Боде: если горизонтальная прямая (если ОС является частотно-независимой => – горизонтальная прямая) пересекает график 13 QUOTE 1415 на участке единичной крутизны его спада (20 дБ/дек), то усилитель с обратной связью устойчив, а если на участке двойной крутизны, то неустойчив. Однако если (критическая частота) превышает частоту второго полюса менее, чем на декаду, то 13 QUOTE 1415 и усилитель устойчив.
Методы частотной коррекции интегральных
усилителей

Простейшая запаздывающая коррекция.

Рисунок 2.25
R– сопротивление ИМС между точками подключения конденсатора С.
Эквивалентный четырёхполюсник – корректирующий. Она содержит один полюс, .

Рисунок 2.26
Из построения (рис.2.26) видно, что задавая низкой можно получить значительно больший участок единичной крутизны (АВ). Это позволит реализовать 13 QUOTE 1415 меньшей величины, т.е. без нарушения устойчивости ввести ОС большой глубины.
Так, как для ИМС запас устойчивости , т.е. точку B’ второго излома берут на уровне 13 QUOTE 1415. Это упрощает анализ, позволяя записать:

Из этого соотношения, можно найти, а затем рассчитать

Недостатки метода:
ЕмкостьСзначительна.
Cильное понижение частоты первого полюса.

Запаздывающая коррекция с шунтированием
последовательной RC-цепью.

Эквивалентный корректирующий четырёхполюсник имеет полюс и нуль:

Асимптотическая ЛАЧХ четырёхполюсника имеет вид OB’C’E’. Cуть коррекции: и тем компенсируют конец участка единичной крутизны BDоказывается на 13 QUOTE 1415, а не на 13 QUOTE 1415, как в простейшей коррекции. Поэтому большая протяжённость BD’ получается при более высокой => более широкополосной ЛАЧХ.


Рисунок 2.27 Запаздывающая коррекция с шунтированием
последовательной RC-цепью

Решим уравнение (6.1) и учитываем :

Таким образом, переход от простейшей коррекции к методу шунтирования RC-цепью, уменьшает ёмкостьСв 11 раз и увеличивает в 9 раз.

Простейшая коррекция с фазовым опережением

Между входом и выходом самого низкочастотного неинвертирующего каскада включается корректирующий конденсаторС, который на ВЧ образует путь пассивной передачи сигнала в обход каскада.


Рисунок 2.28 Простейшая коррекция с фазовым опережением
Название “с опережением” обусловлено тем, что при передаче по обходному пути фазовый сдвиг положителен. Это уменьшает общий фазовый сдвиг на петле обратной связи (остальные каскады на ВЧ вносят отрицательный сдвиг), а значит, повышает устойчивость, т.к. нарушает баланс фаз.
Коэффициент пассивной передачи по обходному пути с повышением часты увеличивается:

– выходная ёмкость каскада при закороченном входе. Подключение конденсатораСувеличивает ёмкость нагрузки и понижает полюса до величины:

На ВЧ коэффициент передачи схемы равен , т.е. в дБ он выражается отрицательным числом. Поэтому соответствующий горизонтальный участок ЛАЧХ расположен под осью. Для определения составим пропорцию:

Этот нуль на частоте можно использовать для компенсации какого-либо полюса характеристики других каскадов. Требуемая ёмкостьС:

Т.к. передача сигнала по обходному пути не сопровождается переворотом по фазе, то корректируемый каскад должен быть неинвертирующим => каскад C создаёт местнуюПОС, что может вызвать самовозбуждение =>необходимо иметьТ<1. Для этого достаточно, чтобы внутренне сопротивление источника входного сигнала было малым. Поэтому перед корректируемым каскадом часто ставят эмиттерный повторитель. Типовые цепи коррекции рассчитывают и отрабатывают экспериментально одновременно с разработкой ИМС. Расчёт цепей коррекции производится и на стадии проектирования усилителей на основе интегральных ИМС.



















Iвых

13 QUOTE 1415вх

K


·

13 QUOTE 1415вх

13 QUOTE 1415вых


·
·вых

13 QUOTE 1415ос

13 QUOTE 1415ос

К

Э

Б



Iб1

Iэ1

Iб2

Iэ2



Iк2

Iк1



VT2

VT1

VT1

VT2

Э

Б

К



Iк2





Iк1



Рисунок 1699Root Entry 
·
·
·
·
·я
·Н
·
·
·
·!Ђ
·
·
·
·
·
·3
·
·
·S PG
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·a Ne
·
·
·
·
·
·
·E
·
·і
·
·
·
·
·
·
·
·S Fa
·
·
·
·
·
·
·*
·а 2.
·
·
·
·

Приложенные файлы

  • doc 9671615
    Размер файла: 4 MB Загрузок: 2

Добавить комментарий