Схемотехника аналоговых электронных устройств — страница 6 из 25

Рисунок 2.29. Схемы каскада с ОК для СЧ, ВЧ и НЧ


Проведя анализ, получим для области СЧ:

где Rэкв = RэRн, F = 1 + S0Rэкв — глубина ООС;

Rвх = R12Rвх T,

где Rвх T — входное сопротивление собственно транзистора,

Rвх T = rб + (1 + H21э)·(rэ + Δr + Rэкв);

Rвых = R12Rвых T,

где Rвых T — выходное сопротивление собственно транзистора,

т.к. S0>>g и при работе каскада от низкоомного источника сигнала (при этом Rб=R12Rг) второе слагаемое оказывается существенно меньше первого. В целом

Rвых≈ 1/S0,

потому, что, как правило, Rэ>> 1/S0.

В области ВЧполучим:

где τвОК — постоянная времени каскада в области ВЧ, τвОК =(τ+CнRэкв)/F; τ — постоянная времени БТ.

Yвх≈ 1/R12 + (1/RвхT + jωCвх дин),

где Cвх дин=Cк+Cн/(H21э+1), т.е. каскад с ОК имеет входную динамическую емкость меньшую, чем каскад с ОЭ;

т.е. модуль выходной проводимости уменьшается с ростом частоты, что позволяет сделать вывод об индуктивном характере выходной проводимости каскада с ОК на ВЧ. Количественно индуктивную составляющую выходного импеданса можно оценить следующим образом:

LвыхОК = rб/2πfTm

где m=(1,2…1,6).

Выражения для относительного коэффициента передачи Yв и коэффициента частотных искажений Mв и соотношения для построения АЧХ и ФЧХ каскада с ОК аналогичны приведенным в разделе 2.5 для каскада с ОЭ.

 В области НЧполучим:

Kн = K0/(1 + 1/jωτн),

где τн — постоянная времени разделительной цепи в области НЧ. далее все так же, как для каскада с ОЭ.

Характеристики БТ при различных схемах включения приведены в таблице 2.1.


Таблица 2.1

Характеристики БТ при различных схемах включения

ПараметрСхема
ОЭОБОК
RвхСотни ОмЕдиницы, десятки ОмЕдиницы кОм
RвыхЕдиницы кОмЕдиницы кОмЕдиницы, десятки Ом
KU>>1>>1<1
KI>>1<1>>1
KPKI·KUKUKI

2.9. Усилительный каскад на полевом транзисторе с ОИ

Среди усилительных каскадов, выполненных на полевых транзисторах, наиболее широкое применение получил каскад, в котором ПТ включен по схеме с общим истоком. На рисунке 2.29 приведена принципиальная схема наиболее распространенного варианта каскада с ОИ с цепью автосмещения, служащей для обеспечения режима работы ПТ по постоянному току.

Если БТ разделяется на два типа — p-n-p и n-p-n, отличающиеся противоположными полярностями питающих напряжений, то разновидностей ПТ существует, по меньшей мере, шесть. Рассмотрим схему рисунка 2.29, где изображен ПТ с p-n переходом и n-каналом. Анализ каскадов на других типах ПТ будет отличаться лишь в незначительных деталях.

Рисунок 2.29. Усилительный каскад с ОИ


Выходные статические вольтамперные характеристики (ВАХ) ПТ представлены на рисунке 2.30. В отличие от БТ, у ВАХ ПТ имеется значительная область управляемого сопротивления, в которой возможно использование ПТ в качестве электронного управляемого резистора. В качестве усилительного элемента ПТ используется в области усиления.

Рисунок 2.30. Выходные статические характеристики ПТ


В отсутствие входного сигнала каскад работает в режиме покоя. С помощью резистора Rи задается напряжение смещения U0=Iс0·Rи, которое определяет ток покоя стока Iс0.

Координаты рабочей точки определяются соотношениями:

Uс0Uвых + UR,

где UR — граница области управляемого сопротивления на выходных статических характеристиках транзистора (рисунок 2.30),

UR≈ (1…2) В;

Iс0Uвых/R,

где RRсRн — сопротивление нагрузки каскада по переменному току;

),

где Uотс — напряжение отсечки, Iси — ток стока при Uзи=0 В (либо при Uзи=2Uотс для ПТ в режиме обогащения, см. рисунок 2.33 в подразделе 2.10).

С помощью резистора Rи, помимо задания необходимого напряжения смещения, в каскад вводится ООС, способствующая термостабилизации (у ПТ как и у БТ наблюдается сильная температурная зависимость параметров), на частотах сигнала эта ОС устраняется путем включения Cи.

Графически проиллюстрировать работу каскада с ОИ можно, используя проходные и выходные статические характеристики ПТ, путем построения его динамических характеристик. Построение во многом аналогично каскаду с ОЭ и отдельно не рассматривается.

Нетрудно показать, что каскад с ОИ, как и каскад с ОЭ, инвертирует входной сигнал.

На рисунке 2.31 а,б,в приведены, соответственно, малосигнальные схемы для областей СЧ,НЧ, и ВЧ.

Рисунок 2.31. Схемы каскада с ОИ для СЧ, ВЧ и НЧ


Для расчета параметров усилительного каскада по переменному току удобно использовать методику, описанную в разделе 2.3, а ПТ представить моделью, предложенной в разделе 2.4.2.

 В результате расчета в области СЧ получим:

K0 = S0Rэкв,

где RэквRсRн;

gвх≈ 1/Rз,

gвыхgс = 1/Rз.

Эти соотношения получены в предположении, что низкочастотное значение внутренней проводимости транзистора g22э много меньше gс и gн. Это условие (если не будет оговорено особо) будет действовать и при дальнейшем анализе усилительных каскадов на ПТ.

В области ВЧполучим:

,

где τв — постоянная времени каскада в области ВЧ, τвCнRэкв;

где Cвхдин = Cзи + Cзс(1 + K0);

Выражения для относительного коэффициента передачи Yв и коэффициента частотных искажений Mв и соотношения для построения АЧХ и ФЧХ каскада с ОК аналогичны приведенным в разделе 2.5 для каскада с ОЭ.

 В области НЧполучим:

Kн = K0/(1 + 1/jωτн),

где τн — постоянная времени разделительной цепи в области НЧ. далее все так же, как для каскада с ОЭ.

2.10. Термостабилизация режима каскада на ПТ

 Различают, по крайней мере, шесть типов ПТ, показанные на рисунке 2.32.

Рисунок 2.32. Основные типы ПТ


Проходные характеристики n-канальных ПТ в режиме обогащения, смешанном и обеднения приведены, соответственно на рисунке 2.33 а,б,в, для p-канальных ПТ они будут отличаться противоположной полярностью питающих напряжений.

Рисунок 2.33. Проходные характеристики ПТ


С помощью рассмотренной схемы автосмещения (рисунок 2.29) возможно обеспечение требуемого режима по постоянному току для ПТ, имеющих проходную характеристику, изображенную на рисунке 2.33а, и — (при отрицательном смещении) — на рисунке 2.33б. Более универсальной схемой питания ПТ является схема с делителем в цепи затвора (рисунок 2.34), способная обеспечить любую полярность напряжения смещения Uзи0.

Рисунок 2.34. Схема питания ПТ с делителем в цепи затвора


В [1] приведен ряд полезных практических соотношений:

где соответствующие токи показаны на рисунке 2.33, а Sси — крутизна при токе стока равном Iси.

В ПТ температурная нестабильность тока стока обусловлена следующими факторами (при росте температуры):

◆ увеличением тока стока за счет теплового смещения проходных характеристик (как и в БТ) при малых значениях тока покоя стока Iс0;

◆ уменьшением тока стока за счет удельного сопротивления канала в широком диапазоне изменения тока покоя стока Iс0.

Следовательно, у некоторых типов ПТ возможно существование термостабильной точки покоя (рисунок 2.35).

Рисунок 2.35. Температурная зависимость тока стока


Координаты термостабильной точки и соответствующую им крутизну можно приближенно оценить по следующим соотношениям [1]:

UзTUотс – 0,63 В;

IсT = 0,4·I