Вы нашли то, что искали?
Главная Разделы

Добавить страницу в закладки ->
Обязательно посмотрите энциклопедию:

Радиоэлектроника, Схемы радиолюбителям


5. Основные схемы каскадов на биполярных и полевых транзисторах. Основы схемотехники

Основы схемотехники

5. Основные схемы каскадов на биполярных и полевых транзисторах

5.1. Общие сведения

5.2. Схема с эмиттерной стабилизацией

5.3. Схема с фиксированным током базы (ФТБ)

5.4. Схема с фиксированным напряжением

5.5. Схема с коллекторной стабилизацией

5.6. Особенности цепей питания и смещения в каскадах на полевых транзисторах

5.7. Коэффициенты усиления и частотные искажения в резистивно-емкостных каскадах

5.7.1. Свойства, эквивалентная схема RC – каскадов

5.7.2. Частотные искажения в области низких частот

5.7.3. Влияние разделительной емкости на искажения импульсных сигналов

5.7.4. Частотные искажения в области высоких частот

5.7.5. Влияние емкости СО на искажения импульсных сигналов

5.7.6. Область средних частот. Коэффициент усиления резистивно-емкостного каскада



5.1. Общие сведения

В настоящее время в усилительной технике наиболее хорошо используются биполярные (БТ) и полевые (ПТ) транзисторы. Для построения усилителей используются ИМС. При этом ИМС при определённых условиях можно рассматривать в целом как некоторый самостоятельный своеобразный усилительный элемент (прибор).

В цепях питания усилительных элементов (УЭ) обычно протекают переменные токи и постоянные составляющее токов. Режим работы УЭ при отсутствии сигнала на его входе называют режимом по постоянному току.

Рис. 5.1. Цепи питания электродов биполярного транзистора для схемы с общим эмиттером

Рис. 5.1. Цепи питания электродов биполярного транзистора для схемы с общим эмиттером.

На рис. 5.1. показаны цепи питания БТ для случая, когда напряжение (ток) смещения (iБ0) создаётся отдельным источником питания ЕСМ. Резистор RСМ в данной схеме является ограничивающим величину тока базы (смещения) iБ0. В выходной электрод включен второй, основной источник питания ЕП. С помощью резистора RК обеспечивается необходимый режим работы транзистора.

Для данной схемы напряжение коллектор-эмиттер UКЭ (UК0) будет равно:

UК0 = ЕП – iК0·RК ;

в цепи эмиттера протекает сумма токов iБ0 и iК0:

iЭ0 = iБ0 + iК0.

Ёмкость СР является разделительной. Для расчета используют семейство статических характеристик, рис. 5.2:

Рис. 5.2. Семейство входных а) и выходных б) статических характеристик для схемы с общим эмитером

Рис. 5.2. Семейство входных а) и выходных б) статических характеристик для схемы с общим эмитером

Р.Т. – рабочая точка.

Использовать два источника питания для маломощных каскадов усиления нерационально. Поэтому практические схемы обычно имеют один источник питания ЕП, а смещение и стабилизацию обеспечивают с помощью специальных цепей, называемых цепями смещения и стабилизации. Для этой же цели разработаны специальные схемы, к рассмотрению которых мы перейдём.



5.2. Схема с эмиттерной стабилизацией

Схема эмиттерной стабилизацией (ЭС) имеет три сопротивления: R'Б, R"Б и RЭ. индексы отражают названия электродов, к которым подключены эти сопротивления, рис. 5.3:

Рис. 5.3. Схема эмиттерной стабилизации, транзистор включен по схеме с ОЭ

Рис. 5.3. Схема эмиттерной стабилизации, транзистор включен по схеме с ОЭ.

Элементы одного каскада условно отделены от другого пунктирными линиями. Нагрузкой каскада может быть аналогичный каскад; тогда вместо RH будем указывать RВХ.СЛ – входное сопротивление следующего каскада.

Известно, что для БТ характерным является наличие заметного входного тока iВХ.0 = iБ0, как было отмечено выше через сопротивление RЭ приходит сумма токов: iЭ0 = iБ0 + iК0. отпирающее напряжение смещения (между базой и эмиттером) UСМ = UБ0 должно быть положительным для транзистора n-p-n, а для транзистора p-n-p – отрицательным:

UБ0 = [UR"Б – U] = iДЕЛ ·R"Б – iЭ0 ·RЭ = [iДЕЛ ·R"Б – (iK0 – iБ0)]; (5.1)

Должно выполняться условие:

|UR"Б| > |U|;

Здесь R'Б и R"Б – делитель напряжения в цепи базы. Для БТ при расчетах иногда удобнее использовать вместо напряжения UБ0, ток смещения iБ0. Эти величины однозначно связаны входной характеристикой, рис. 5.2а.

Данная схема обеспечивает не только необходимое смещение для транзистора, но и стабилизирует положение РТ при действии дестабилизирующих факторов (температуры, нестабильности источника питания, старения элементов схемы, разброса параметров транзистора и др.). Например, при увеличении тока iК0 величина UБ0 уменьшается, в управлении (5.1) и наоборот. Это стабилизирует положение РТ и можно сказать является результатом введения ООС. Напряжение обратной связи создаётся на сопротивлении RЭ:

UСВ = ∆iK0· RЭ. (5.2)

где ∆iK0 – изменение тока коллектора. С увеличением RЭ возрастает UСВ и её глубина:

; (5.3)

здесь – эквивалентное сопротивление делителя; h21Э – статический коэффициент усиления по току БТ в схеме с общим эмиттером; RВХ.Э – входное сопротивление транзистора в схеме с общим эмиттером. Из уравнения (5.2) видно, что с увеличение RЭ возрастает UСВ и её глубина, уравнение (5.3). Напряжение ООС подаётся на вход транзистора через сопротивление делителя R'Б и R"Б. Чем меньше эти сопротивления, тем эффективнее работает данная схема, тем лучше стабилизация режима. Однако выбирать очень малыми сопротивления в цепи базы нельзя, т.к. эти сопротивления шунтируют вход УЭ и уменьшают передаваемое на вход напряжение сигнала. Данная схема является одной из самых эффективных схем, используемых в радиоэлектронике.



5.3. Схема с фиксированным током базы (ФТБ)

Если в схеме с ЭС положить RЭ = 0 и R"Б = ∞, то схема упрощается, рис. 5.4:

Рис. 5.4. – Схема с фиксированным током базы

Для этой схемы по закону Кирхгофа:

ЕП = iБ0·RБ + UБ0;

Откуда видно, что ток смещения (ток базы iБ0) равен:

;

т.к. ЕП > UБ0. В этой схеме ток смещения практически не зависит от параметров транзистора.



5.4. Схема с фиксированным напряжением

В этой схеме RЭ = 0, рис.5.5:

Рис. 5.5. Схема с фиксированным напряжением смещения

Рис. 5.5. Схема с фиксированным напряжением смещения.

Транзистор включен по схеме с ОЭ.

Необходимое напряжение смещения в этой схеме обеспечивается с помощью делителя R'Б и R"Б. Из рис. 5.5 следует:

ЕП = iДЕЛ·R"Б + (iДЕЛ + iБ0)·R'Б;

Решая это уравнение относительно iДЕЛ, получаем:

;

Тогда напряжение смещения UБ0 равно:

;

Учитывая, что iБ0·R'Б << ЕП, в расчетах пользуются более простой формулой:

;

Заметим, что данная схема не обладает стабилизацией режима работы.



5.5. Схема с коллекторной стабилизацией

В схеме с коллекторной стабилизацией в цепи эмиттера отсутствует сопротивление: RЭ = 0, рис. 5.6, а вход схемы и выход соединяются сопротивлением RБ.

Рис. 5.6. Схема с коллекторной стабилизацией

Рис. 5.6. Схема с коллекторной стабилизацией

Ток смещения в этой схеме равен:

;

и уменьшается при увеличении (изменение – в общем случае). В этом проявляется ООС; по способу снятия и введения это параллельная ООС. Глубина этой обратной связи равна:

; (5.4)

Данная схема отличается простотой, обеспечивает стабилизацию режима до 30°С, но имеет существенный недостаток – вследствие ООС по переменному току через сопротивление RБ, малый коэффициент усиления. Для этого в цепи базы включают RC – фильтр, устраняющий ООС по переменному току.



5.6. Особенности цепей питания и смещения в каскадах на полевых транзисторах

В режимах усиления ПТ могут работать без входных токов и поэтому рассматриваются как приборы, управляемые напряжением: RУПР = RЗ затвора. Это является основным их отличаем от БТ. Такие условия работы обеспечиваются при подаче на входной электрод определённого по знаку напряжения смещения. Рабочая точка выбирается на наиболее крутом и линейном участке характеристики подачей противоположного (по сравнению EП и U0) по знаку напряжения смещения. Обычная схема резистивных каскадов на ПТ аналогична схеме каскада на БТ, рис. 5.7.

Рис. 5.7. Схема резистивного каскада на ПТ

Рис. 5.7. Схема резистивного каскада на ПТ

Элементом связи является резистор RС. Для получения нужного по знаку и величине смещения при использование ПТ с p-n переходом в цепь истока включается резистор RИ, на котором постоянная составляющая выходного тока iС создаёт напряжение, равное необходимому смещению:

UЗ0 = iC0·RИ

При этом резистор RЗ соединяет управляющий электрод (затвор) с общей для входа и выхода заземленной точкой. Небольшие токи утечки на этом резисторе не должны создавать заметного напряжения:

iУТ·RЗ ≈ 0;

т.е. величина RЗ должна быть ограничена и указывается в справочнике для используемого ПТ. Током утечки iУТ для ПТ является обратный ток запертого p-n перехода затвор-канал. Резистор в цепи истока шунтируют большей ёмкостью СИ.

В рассматриваемой схеме можно увеличить стабильность, если ввести ООС по постоянному току путём включения делителя в цепь затвора (пунктир, рис. 5.7) Для ПТ с изолированным затвором и встроенным каналом, работающих в режиме обеднения, схема цепей питания имеет вид, показанный на рис.5.7 (без R′З). При работе ПТ в режиме обогащения, а также для ПТ с индуцированным каналом могут быть использованы схемы, аналогичные БТ, рассмотренных выше.



5.7. Коэффициенты усиления и частотные искажения в резистивно-емкостных каскадах



5.7.1. Свойства, эквивалентная схема RC – каскадов

Резистивно-емкостные каскады усиления обычно используются в схемах предварительных усилителей. Они обладают следующими достоинствами: простотой, малыми размерами и весом, хорошей АЧХ и переходной характеристикой. Для резисторных каскадов предварительного усиления пригодны любые маломощные усилительные элементы с высоким коэффициентом усиления, на рис. 5.8 показана схема двухкаскадного усилителя с резистивно-емкостной связью.

Рис. 5.8. Принципиальная схема двухкаскадного усилителя с резистивно-емкостной связью

Рис. 5.8. Принципиальная схема двухкаскадного усилителя с резистивно-емкостной связью.

При расчете усилителей используют эквивалентные схемы соответствующих каскадов. Различают эквивалентные схемы для широкой полосы частот, для низких и высоких частот, для средних частот. На рис.5.9 показана эквивалентная схема резистивного каскада для широкой полосы частот, соответствующая схеме, заключенной между пунктирными линиями рис. 5.8.

Рис. 5.9. Эквивалентная схема резистивного каскада для широкой полосы частот на БТ

Рис. 5.9. Эквивалентная схема резистивного каскада для широкой полосы частот на БТ

На рис. 5.9 обозначено: RВЫХ.Э – выходное сопротивление транзистора; СВЫХ – выходная ёмкость; RК – сопротивление в цепи коллектора; RБ′.СЛ и RБ″.СЛ – делитель в цепи базы следующего транзистора; СМ – ёмкость монтажа (~ 5 пФ для печатного монтажа); rБ'Б. СЛ и rБ'Э. СЛ – сопротивление переходов следующего транзистора; СБ′Э.ДИН.СЛ – динамическая ёмкость эмиттерного перехода.

Аналогично можно представить в виде эквивалентной схемы для широкой полосы частот резистивный каскада на ПТ, схемы на рис. 5.7, указанном выше.

Рис. 5.10. Эквивалентная схема резистивного каскада для широкой полосы частот на ПТ

Рис. 5.10. Эквивалентная схема резистивного каскада для широкой полосы частот на ПТ.

На рис. 5.10 обозначено: Ri – внутреннее сопротивление ПТ; СВЫХ – выходная ёмкость УЭ; RС – сопротивление в цепи стока; RЗ.СЛ (RН) – сопротивление в цепи затвора (нагрузка) следующего каскада; СМ – ёмкость монтажа; СВХ.ДИН.СЛ – динамическая ёмкость Следующего УЭ (ёмкость нагрузки).

Представленные эквивалентные схемы можно существенно упростить, если объединить параллельно включенные резисторы и ёмкости, выполнив соответствующие преобразования. Параллельно включенные ёмкости СВЫХ, СМ и СВЫ.ДИН.СЛН) можно объединить в одну ёмкость СО:

СО = СВЫХ + СМ + СВХ.ДИН.СЛН).

Для БТ величиной rБ'Б. СЛ можно пренебречь, тогда:

СБ′Э.ДИН.СЛ >> СВЫХ + СМ.

и обычно СО ≈ СБ′Э.ДИН.СЛ. заметим, что влияние этой ёмкости проявляется в области ВЧ. Входная динамическая ёмкость содержит входную СВХ и проходную емкости СПР. Тогда

СВХ.ДИН. = СВХ + СПР(1+К);

проходная емкость и СПР связывает входную цепь с входной и через нее осуществляется местная параллельная ООС.

Влияние реактивных элементов на параметры каскада рассматривают обычно раздельно: элементы схем не влияющие на показатели каскада исключают из рассмотрения. Рассматривают области НЧ, ВЧ и средних частот.



5.7.2. Частотные искажения в области низких частот

В области НЧ влияют:

  • Разделительные ёмкости СР;
  • Ёмкости в цепи эмиттера, истока: СЭ, СИ.
  • Ёмкости фильтров СФ.

Выбором достаточно больших значений емкостей можно исключить их влияние, но при этом их габариты окажутся неприемлемыми. Эквивалентная схема резистивного каскада для области НЧ имеет вид:

Данная схема справедлива для каскадов на БТ и ПТ. В расчетах нужно иметь ввиду:

а) для БТ:

UЭН = SUВХ·RЭН

б) для ПТ:

RВХ.СЛ = RЗ.СЛ; если используется делитель в цепи затвора следующего каскада, то:

UЭН = SUВХ·RЭН

Аналогичное рассмотрение можно провести для разделительной ёмкости на входе первого каскада:

RВХ1 –входное сопротивление первого каскада.

Из эквивалентной схемы для области НЧ резистивного каскада видно, что СР включено последовательно в цепь нагрузки. На низких частотах на этой емкость теряется часть выходного сигнала и как следствие, возникают частотные искажения. Для оценки частотных искажений используют отмеченные выше коэффициенты частотных искажений МНР и МНР.ВХ. При этом полагают, что UЭН(UИСТ) = const. Согласно определению величина МНР равна

.

На средних частотах СР не влияет, тогда:

.

На НЧ, с учетом заметного влияния СР имеем:

;

где τНР = СР·(RЭН + RВХ.СЛ) – постоянная времени цепи. Подставляя найденные величины UВЫХ.СР и UВЫХ.НЧ в исходную формулу МНР, получаем после несложных преобразований:

или относимый коэффициент усиления Y:

Выражение Y является уравнением АЧХ резистивного каскада. В зависимости от величины τНР можно получить различные зависимости Y=f(ω), рис. 5.11:

Рис. 5.11. АЧХ резистивного каскада при различных постоянных времени τНР.

Рис. 5.11. АЧХ резистивного каскада при различных постоянных времени τНР.

Как видно из выражений МНР и Y частотные искажения и вид АЧХ в области НЧ в резистивном каскаде зависят от емкости СР и сопротивления (RЭН+RВХ.СЛ).

Фазочастотная характеристика (ФЧХ) резистивного каскада зависит также от величины τНР. Можно получить, аналогично, уравнения ФЧХ [1];

.

Обычно при расчете резистивного каскада величина частотных искажений МНР бывает задана и требуется определить значение емкости СР, при котором реализуются эти искажения:

;

Из этого выражения следует, что чем меньше МНР или ниже частота, тем больше должна быть СР.



5.7.3. Влияние разделительной емкости на искажения импульсных сигналов

При недостаточно большой СР появляется спад плоской вершины импульсов. Этот вид искажений наиболее ярко проявляется для импульсов большой длительности. Переходной процесс в RC – цепочке определяется соотношением:

Эквивалентная схема каскада имеет вид показанный выше для области НЧ. При появление импульса СР заряжается током заряда по закону экспоненты. Временные диаграммы показаны ниже:

Спад плоской вершины характеризуется величиной:

Если τНР >> τИ, что часто выполняется, то:

.

Тогда искажения оцениваются в процентах:

Напомним, что τИ – длительность импульсного сигнала.



5.7.4. Частотные искажения в области высоких частот

В области ВЧ помимо инерционности самих УЭ могут оказывать влияние монтажные емкости схемы и междуэлектродные емкости. Эквивалентная схема для области ВЧ получается исключением из общей эквивалентной схемы, рис. 5.9, конденсатора СР и объединения параллельно включенных элементов:

Здесь СО = СВЫХ + СМ + СВХ.ДИН.СЛ, а эквивалентное сопротивление равно:

а) для БТ:

:

;

б) для ПТ:

– сопротивление нагрузки по переменному току.

На ВЧ емкость СО уменьшает выходное напряжение, т.е. ведёт к возникновению частотных искажений. Для определения величины частотных искажений используют коэффициент частотных искажений в области ВЧ:

где UВЫХ.СР = Sd·UВХ·RЭВ – выходное напряжение на средних частотах. На ВЧ выходное напряжение равно UВЫХ.ВЧ = Sd∙UВХ·ZЭВ. Здесь ZЭВ эквивалентное сопротивление в области ВЧ:

τB = CO RЭВ – постоянная времени в области ВЧ. Тогда МВ равно:

Относительный коэффициент усиления Y равен:

.

Вид АЧХ в области ВЧ в резистивном каскаде зависит от величины емкости CO и сопротивления RЭВ. Из уравнения Y видно, что с увеличением СО или RЭВ частотные искажения возрастают:

ФЧХ в области ВЧ, по аналогии с областью НЧ, может быть записана:

tg φ = – ωτB.

Откуда:

φ = arctg (– ωτB) = –arctg ωτB.

Отрицательное значение фазового сдвига свидетельствует о том, что на ВЧ выходное напряжение отстаёт от входного.



5.7.5. Влияние емкости СО на искажения импульсных сигналов

При импульсной форме сигнала на входе каскада, выходное напряжение устанавливается не сразу – растёт экспоненциально вследствие заряда СО:

Выходное напряжение зависит от времени:

(5.4)

Полагая в уравнение (5.4) t = t1, и t = t2 можно получить:

tУСТ = 2,2·τB.

Полученные формулы справедливы для каскадов выполненных на БТ и ПТ.



5.7.6. Область средних частот. Коэффициент усиления резистивно-емкостного каскада

а) Биполярный транзистор

Исключив из полной эквивалентной схемы резистивного каскада элементы не влияющие на АЧХ в области средних частот СО и СР получается следующая эквивалентная схема.

В этой схеме RЭВ равно:

;

RВХ.Э.СЛ = rБ′ Б.СЛ+ rБ′ Э.СЛ – входное сопротивление транзистора следующего каскада.

По определению коэффициент усиления по напряжению:

;

величина выходного напряжения равна:

UВЫХ = S·UВХ·RЭВ = IВЫХ.КЗ·RЭВ (5.5)

С учетом уравнения (5.5) коэффициент усиления равен:

;

Влияние RВЫХ.Э на коэффициент усиления учитывается динамическим значением крутизны:

(5.6)

где – динамическая крутизна.

Видно Sd < S; если RВЫХ.Э >> RH~ то Sd = S.

Коэффициент усиления по току каскадов на БТ равен для схемы с ОЭ:

т.к. h22Э·RH~ << 1 – почти всегда выполняется. Можно получить коэффициент усиления по напряжению, зная КТЭ:

; (5.7)

В практических расчетах используют формулы (5.6) или (5.7) в зависимости от известных величин.

б) Полевой транзистор

Эквивалентная схема аналогична вышеприведенной для БТ. Однако, в расчетах следует учитывать, что RЭВ равно:

где .

Для каскадов на ПТ определяет только коэффициент усиления по напряжению:

Если Ri< >> RH~, то

Основы схемотехники






© 2009-2018 Банк лекций Siblec.ru
Электронная техника, радиотехника и связь. Лекции для преподавателей и студентов. Формальные, технические, естественные, общественные, гуманитарные, и другие науки. Карта сайта

Новосибирск, Екатеринбург, Москва, Санкт-Петербург, Нижний Новгород, Ростов-на-Дону, Чебоксары.

E-mail: formyneeds@yandex.ru