Электронная техника для сули

ТИПОВЫЕ ТРАНЗИСТОРНЫЕ КАСКАДЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ В АНАЛОГОВЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМАХ

Развитие элементной базы происходи!' таким образом, что в большинстве случаев рациональнее применить специализированную микросхему, чем разрабатывать уникальный электронный узел, и наш курс в основном затрагивает вопросы проектирования электронных изделий на аналоговых и цифровых микросхемах. Однако элементарное знакомство с основными узлами и каскадами аналоговых интегральных микросхем необходимо для понимания особенностей применения этих схем. Кроме того, в ряде случаев приходится изготавливать подобные каскады на дискретных компонентах, что может быть вызвано либо требованием повышенных значений характеристик (быстродействия, мощности), либо иными соображениями (требованием малогабаритности или дешевизны). Типовые транзисторные каскады показаны на рис. 2.1−2.4.

На рис. 2.1 показана схема эмитгерного повторителя напряжения на л-/7-я-транзисторе УТ. Еію основные свойства: коэффициент передачи по напряжению близок к единице, большое входное и низкое выходное сопротивления. Эмиттерный повторитель можно считать источником напряжения, где выходной сигнал снимается с сопротивления /?₃, которое вместе с сопротивлением нагрузки (на схеме не показано) представляет общую нагрузку каскада.

Принцип действия эмиттерного повторителя также основан на свойстве системы с ООС. Сам транзистор УТ в таком включении играет роль объекта с регулятором, его характеристика формирует ЛАЧХ разомкнутого контура. При этом схема включения обеспечивает глубокую ООС. Действительно, если транзистор был полностью открыт, на выходе было бы напряжение источника питания +и$, так как выход через открытый транзистор был бы подключен к этому питанию. Если бы транзистор был полностью закрыт, на выходе было бы нулевое напряжение, так как выход через резистор /?₃ был бы подключен к нулевой шине. Если входное напряжение каскада, подаваемое на базу транзистора, например, медленно растет от нулевого значения до +?/5, то изначально транзистор будет закрыт, на выходе каскада напряжение равно нулю. Для того чтобы открыть транзистор, на него необходимо подать такое напряжение, чтобы между эмиттером и базой было необходимое напряжение отпирания II§. Для кремниевого транзистора ?/о"0,7 В, для германиевого — меньше, для арсенид-галлиевого — еще меньше. Как только входное напряжение достигнет напряжения отпирания, транзистор приоткроется. При этом начинает действовать ООС. Если транзистор просто открыть, выходное напряжение станет равным напряжению питания, но как только напряжение на выходе, т. е. на эмиттере транзистора, начнет возрастать, это приведет к уменьшению напряжения между базой и эмиттером, что вызовет закрытие транзистора и, следовательно, приведет к уменьшению напряжения на выходе каскада. Именно так действует обратная связь: выходное напряжение каскада будет ровно таким, чтобы поддерживать напряжение между эмиттером и базой транзистора на уровне напряжения открывания. Поэтому на выходе повторителя напряжение будет не в точности повторять входное напряжение, а будет на величину меньше, чем входное напряжение.

Рис. 2.1. Типовой транзисторный каскад: эмиттерный повторитель.

Рис. 2.2. Типовой транзисторный каскад: усилитель с общим эмиттером.

Возникает два вопроса: 1) почему каскад назван повторителем, если он передаст напряжение нс в точности (нс повторяет); 2) для чего нужен повторитель как таковой.

В радиотехнике важнейшей задачей являлось усиление и преобразование переменных сигналов. Постоянный уровень можно убрать, поставив разделительный конденсатор. А переменное напряжение повторитель передает в точности, искажения его минимальны, что объясняет широкое распространение таких каскадов. Эмиттерный повторитель воспроизводит входное напряжение на своем выходе, а именно на другой нагрузке, которая сильно отличается от того, какую нагрузку для предшествующих каскадов представляет собой сам этот каскад. Входное сопротивление этого каскада может быть достаточно большим, т. е. от источника сигнала повторитель забирает очень мало мощности, так как его входной ток невелик. Нагрузка повторителя может быть достаточно малой (по величине сопротивления), т. е. в следующий каскад повторитель может отдавать достаточно большой ток. Поэтому повторитель может служить для согласования каскадов, прежде всего для возможности подключения на выход маломощного каскада (каскада с большим выходным сопротивлением) нагрузки, потребляющей большой ток, например, каскада с малым входным сопротивлением. Также повторитель может использоваться для исключения влияния последующих каскадов на предыдущие, например, при включении между отдельными звеньями фильтра высокого порядка, изготовленного на пассивных элементах: конденсаторах, резисторах и дросселях.

Включение биполярного транзистора по схеме с общим эмиттером приведено на рис. 2.2. Напряжение на выходе приближенно определяется следующим выражением:

где Лэ — коэффициент передачи тока транзистора УТ. Входное сопротивление такого каскада прямо пропорционально температуре и обратно пропорционально току /_к через транзистор, выходное сопротивление равно сопротивлению параллельного включения резистора Я₂ и резистора обратносмещенного перехода коллектор-база. Частотные характеристики при малых токах /_к определяются параметрами входной и выходной цепей.

Принцип действия такого каскада понять очень просто. Обратим внимание на сходство этого каскада с эмиттерным повторителем. Отличие этого каскада кроется лишь в том, что в цепь между коллектором и источником питания включено сопротивление /?2, и сигнал на выход снимается именно с этого сопротивления. Транзистор работает так же, как в повтори геле, поэтому на резисторе /?з напряжение по величине и по форме повторяет входное напряжение. Почти все это напряжение определяется сквозным током по цепи от источника питания через коллекторный резистор Я₂, далее через транзистор и через это сопротивление. Поэтому приращение тока на обоих резисторах одинаковое. По этой причине если бы эти сопротивления были бы одинаковыми, то и приращения напряжений на них были равными. А поскольку коллекторное сопротивление в несколько раз больше, то и приращение напряжения на нем ровно во столько же раз больше. Сопротивление Я₂ одним своим концом соединено с нулевой шиной, поэтому напряжение на втором конце совпадает по величине и знаку с падением напряжения на этом резисторе. Сопротивление /?з одним концом присоединено к напряжению питания, напряжение на выходе каскада следует вычислять как разницу между напряжением питания каскада и падением напряжения на этом резисторе.

На основании проделанных рассуждений соотношение (2.1) в приращениях можно легко вывести в следующем виде:

Таким образом, по переменной компоненте каскад с общим эмиттером позволяет осуществить усиление с инвертированием.

Истоковый повторитель (нс показан на иллюстрациях) на основе полевого транзистора, но схеме включения аналогичен эмиттерному повторителю, но в отличие от него имеет существенно большее входное сопротивление.

На рис. 2.3 показано включение полевого транзистора по схеме с общим истоком. Транзистор может работать в линейном режиме и в режиме насыщения. В линейном режиме коэффициент усиления приближенно определяется следующим выражением:

где 5 — крутизна характеристики полевого транзистора. В режиме насыщения ток /_с практически не зависит от напряжения сток-исток, а зависит от напряжения затвор-исток.

На рис. 2.4 показан усилитель на полевом транзисторе с активной нагрузкой, представленной транзистором УТ2. Коэффициент усиления такого каскада определяется отношением 5) /52. Реально достижимый коэффициент усиления такого каскада составляет К = 7…20 [47].

Рис. 2.3. Типовой транзисторный каскад: усилитель с общим истоком.

Рис. 2.4. Типовой транзисторный каскад: усилитель с общим истоком и динамической нагрузкой.

Схему Дарлингтона, или составное включение транзисторов, (рис. 2.5) отличает значительно большее усиление по току, но сравнению с усилением в схеме с одним транзистором.

Составной транзистор на комплементарных транзисторах показан на рис. 2.6. Направления токов соответствуют/?-г/-/?-транзистору.

Рис. 2.5. Составное включение транзисторов: схема Дарлингтона.

Рис. 2.6. Составной транзистор на комплементарных транзисторах.

Дифференциальные каскады обладают большим усилением по напряжению дифференциального сигнала, приложенного к их входам. Усиление сигнала, одинакового на обоих входах (синфазного сигнала), невелико, в идеале оно равно нулю. При идентичности всех элементов схемы рис. 2.7 на выходах не наблюдается разбаланса коэффициентов усиления по различным плечам, и необходимость стабилизировать усиление отдельных каскадов с помощью эмиттерных сопротивлений может отпадать. Большое значение коэффициента подавления синфазного сигнала достигается применением генератора постоянного тока, как показано на рис. 2.8. Этот генератор собран на транзисторе У73 в режиме с общим эмиттером, смещение на его базе задано делителем, образованным сопротивлениями /?8 и /?9. Выход дифференциальных каскадов также дифференциальный: выходной сигнал является разностью сигналов на выходах ІЗ и ¼.

Рис. 2.7. Дифференциальный каскад на биполярных транзисторах.

Рис. 2.8. Дифференциальный каскад с генератором постоянного тока.

Дифференциальный усилитель на полевых транзисторах, использующий транзисторы в качестве активной нагрузки, показан на рис. 2.9. Достижимые значения коэффициента ослабления синфазных сигналов такого каскада ниже, чем при применении биполярных транзисторов, зато входное сопротивление достигает /?_вх = Ю¹² Ом. Входные токи пренебрежимо малы.

Рис. 2.9. Дифференциальный усилитель на полевых транзисторах.

Рис. 2.10. Двухтактный оконечный каскад в режиме А.

Рис. 2.11. Двухтактный оконечный каскад в режиме В.

Двухтактный каскад применяется для обеспечения в сопротивлении нагрузки требуемой мощности. Эти каскады работают при больших значениях напряжения и тока (рис. 2.10 и 2.11). Обычным недостатком двухтактного каскада на транзисторах одной проводимости является сложность управления выходными транзисторами.