В простейшем каскаде с ОЭ (рис. 88) входной сигнал подаётся на базу, а цепь эмиттера подключена к общему проводу. Каскады с ОЭ обеспечивают усиление как по току, так и по напряжению. Ток коллектора очень слабо зависит от напряжения на нём, поэтому транзистор со стороны со стороны коллектора в большинстве случаев можно рассматривать как генератор тока Iк с очень большим выходным сопротивлением.
Крутизна транзистора S≈1/(rэ+Rэ), где rэ=fт/Iэ - дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода - выступает в качестве последовательного сопротивления во всех схемах, увеличивает входное и выходное сопротивление транзистора.
Коэффициент усиления по напряжению без учёта сопротивления нагрузки Rн и сопротивления коллектора rк
Кu= -S Rвх= - Rк/(rэ+Rэ).
Знак "минус" говорит об инверсии сигнала. Это справедливо при Rк много меньше Rн и rк. В противном случае необходимо учитывать их шунтирующее влияние.
rк=1/h22э - выходное сопротивление коллектора;
h22э - выходная проводимость.
Соответственно при отсутствии Rэ Кu= -Rк/rэ.
Как видно из приведённой формулы, каскаду с ОЭ (без принятия дополнительных мер) свойственны большие нелинейные искажения, т.к. в знаменателе есть нелинейная величина rэ, имеющая сложную зависимость от тока коллектора.
Уменьшить нелинейные эффекты можно по следующим направлениям:
- уменьшение влияния rэ путём установки последовательно с ним резистора Rэ (местная ООС по току);
- компенсация влияния rэ путём установки последовательно с Rк одного или нескольких диодов динамическое сопротивление
которых равно: rд=fт/Iк, тогда Кu=(Rк+nrд)/(rэ+Rэ), где n - количество диодов;
- выбор оптимального тока коллектора, при котором минимальны изменения h21э;
- правильный выбор рабочей точки;
- применение местной ООС по напряжению, которая одновременно уменьшает влияние ёмкости Ск, так как шунтирует её:
- выбор оптимального сопротивления источника (например, подбором
сопротивления Rп последовательно со входом;
- уменьшение влияния rэ путём замены Rк генератора тока (за счёт стабилизации тока коллектора);
- уменьшение нелинейных эффектов за счёт применения динамической нагрузки;
- взаимокомпенсация нелинейных эффектов за счёт встречной динамической нагрузки.
Усилительные свойства транзисторов сохраняются до напряжения насыщения, которое может быть в пределах от 0.2...0.3В до нескольких вольт в зависимости от тока коллектора. Например, для маломощных транзисторов при токах больше 10...20 мА насыщение может наступать при Uкэ=(1...2)В.
Напряжение Uбэ зависит от температуры и изменяется на -2.1 мВ/°С. Поэтому ток коллектора увеличивается в 10 раз при увеличении Т° на 30°С. Такая нестабильность делает смещение неработоспособным, т.к. даже небольшое изменение температуры выводит транзистор в режим насыщения или отсечки.
Входное сопротивление каскада:
Rвх=Rп+rб+h21э(rэ+Rэ) и имеет ёмкостный характер.
При отсутствии Rп и Rэ и если пренебречь rб, то Rвх=h21эrэ=h21э25/Iк (мА), Ом
Отсюда видно, что Rвх величина не постоянная, меняется при изменении входного сигнала, т.к. меняется Iк.
Диапазон изменения входного сигнала при Rэ=0, при котором сохраняется линейный режим, не превышает 2-φт=50 мВ.
Коэффициент передачи тока h21э не постоянен и имеет сложную зависимость для тока коллектора (рис. 89) (для маломощных транзисторов). В зависимости от типа транзистора максимум коэффициента передачи может наступать при токах коллектора от 1-2 мА для маломощных транзисторов, до нескольких ампер - для мощных. В режиме насыщения наблюдается резкое падение коллекторного тока независимо от тока базы, при этом коллекторный переход оказывается прямосмещённым.
При сопротивлении источника сигнала Rr>Rвх можно считать, что источник входного сигнала электрически замкнут накоротко. При этом входной ток Iвх=Евх/Rr и практически не зависит от изменяющегося Rвх, где Евх - ЭДС источника сигнала.
Следовательно усиление будет происходить с малыми нелинейными искажениями, поскольку зависимость выходного тока транзистора от входного практически линейна, хотя входное напряжение Uвх=IвхRвх - нелинейно.
Однако не следует думать, что чем Rr больше Rвх, тем лучше. Для транзисторного каскада характерна вполне определённая оптимальная величина как внутреннего сопротивления источника сигнала (рис. 90), так и тока коллектора. Необходимо также учитывать, что Rк шунтируется входным делителем каскада.
Ёмкость коллекторного перехода Ск является барьерной ёмкостью и зависит от напряжения на коллекторе, т.е. носит динамический характер.
Подобно тому как Сэ уменьшается в (Кu+1) раз в эмиттерном повторителе благодаря положительной ОС в каскаде с ОЭ Ск увеличивается во столько же раз благодаря отрицательной ОС, что равносильно подключению параллельно входу динамической ёмкости Ск (Кu+1). В большинстве случаев она оказывает отрицательное влияние, однако иногда используют и её. В этом и заключается так называемый эффект Миллера.
Частоту среза каскада снижает не только входная динамическая ёмкость,но и ёмкость нагрузки, в том числе и монтажа. Расширить полосу пропускания можно следующим образом:
- Уменьшить Rн при одновременном увеличении Iк, т.к. усиление прямопропорционально Iк/Св;
- применить транзисторы с малыми ёмкостями переходов;
- отделить нагрузку эмиттерным повторителем.
Как отмечалось выше, простейший каскад не обладает термостабильностью, поэтому практически не используется. Один из способов так называемой коллекторной термостабилизации с применением отрицательной обратной связи по напряжению показан на рисунке 91. Если взять исходное напряжение Uк равным 0.5Еп, то Rк=0.5Еп/Iк, сопротивление в цепи базы Rб=0.75Еп/Iб=0.5Еп h21э/Iк.
Пример коллекторной стабилизации с исключением влияния ООС по переменному напряжению показан на рис. 92. Как видим базовый резистор заменён Т-мостом, где C=Ku/φ2pн pR1. Обычно R1 принимают равным R2.
Каскад с компенсационным смещением на согласованном транзисторе благодаря применению отражателя тока (рис.93) предназначен для усиления относительно слабых сигналов. Изменение температуры не влияет на работу такой схемы. Аналогичный каскад с трансформаторной связью на входе показан на рис. 94.
Каскад с эмиттерной стабилизацией с помощью ООС по току показан на рис. 95. RC-цепь, параллельную резистору Rэ применяют для увеличения усиления по переменному току, а также для коррекции АЧХ каскада. Сопротивление резистора Rэ в зависимости от тока коллектора выбирают от долей ома в мощных выходных каскадах до нескольких килоом в маломощных. Ток базового делителя желательно иметь таким: Iдел->=10 Iб, при двухполярном питании цепь смещения базы упрощается (рис.96).
Возможный вариант применения токового зеркала для термостабилизации показан на рис.97. Динамический диапазон такой схемы по сравнению со схемой рис. 93. шире за счёт резисторов Rэ.
На рис. 98 показан трёхкаскадный усилитель со взаимной стабилизацией всех каскадов на токовом зеркале Уилсона [18]. Коэффициент усиления достигает 5000 и более. Недостаток схемы - низкая нагрузочная способность, проявляющаяся в явно выраженных искажениях в виде чётных гармоник.
Эмиттерная стабилизация по сравнению с коллекторной обеспечивает большую термостабильность, однако наиболее эффективен комбинированный способ. На рис. 99 показан практический вариант усилителя с комбинированной стабилизацией на составном транзисторе Шиклаи. Входное сопротивление каскада - около 200 кОм, коэффициент усиления Кu=К2/К3=10.
Применение составного транзистора рис. 4 и генератора тока вместо RK (рис. 101) позволяет получить усиление 20000 и более. Однако реализовать такое усиление можно только при работе каскада на составной эмиттерный или истоковый повторитель.
В отличие от каскада с ОЭ в каскаде с ОИ (рис. 102) нелинейные искажения значительно меньше, поскольку напряжение отсечки Uотс~=1...5 В намного больше, чем температурный потенциал φт=25 мВ биполярных транзисторов. Линейная область входных напряжений значительно шире и сильно зависит от выбора рабочей точки Iсп/Icmax, где Iсп - ток стока покоя, Icmax - максимальный ток стока.
Каскад с повышенным благодаря следящей ОС входным сопротивлением показан на рис. 103. Практическая схема малошумящего усилителя [19] показана на рис. 104. Основные характеристики следующие:
коэффициент усиления - 10;
полоса пропускания, Гц - 5...25000;
номинальное входное напряжение, мВ - 150;
максимальное входное напряжение, мВ - 700;
коэффициент шума, дБ - 80...85;
коэффициент гармоник, % - <0,05.
Вариант усилителя с разветвлением сигналов на несколько каналов с помощью истоковых повторителей показан на рис. 105.
Широкое применение каскадов с динамической нагрузкой было описано В.Носовым на страницах журнала "Радио" (12/67 с.30; 9/69 с. 44). Усилитель с динамической нагрузкой (рис. 106) [20] имеет коэффициент усиления около 100...150. Благодаря съёму сигнала с эмиттера транзистора VT2 каскад имеет низкое выходное сопротивление. Номинальное входное напряжение - 20 мВ.
Возможный вариант повышения эффективности динамической нагрузки с помощью токового зеркала показан на рис. 107 [21].
В отличие от обычного каскада с ОИ, у которого коэффициент усиления редко превышает 10, коэффициент усиления каскада рис. 108 достигает 500 благодаря динамической нагрузке. Усилитель с эмиттерным повторителем в качестве буферного каскада показан на рис. 109.
Практическая схема малошумящего микшера для микрофонов показана на рис. 110 [20].
Для получения необходимой АЧХ или её коррекции вместо Rк или параллельно ему включают различные (параллельные или последовательные) LC или RC-цепи. Усилительный каскад в интегральном исполнении с индуктивной ВЧ-коррекцией показан на рис. 111. Дело в том, что входное сопротивление каскада с общей базой (ОБ) на определённых частотах имеет индуктивную составляющую, которую можно использовать для ВЧ-коррекции.
НЧ-коррекцию с помощью отражателя тока (рис. 112) также можно использовать в интегральном исполнении, при этом ёмкость Сф можно существенно уменьшить.
Малошумящий усилитель со встречной динамической нагрузкой показан на рис. 113. Коэффициент усиления - около 10. Такой усилитель можно использовать в качестве микрофонного усилителя или входного каскада УВ магнитофона. Минимального уровня шумов добиваются подбором резистора R5, который зависит от напряжения питания. При этом ток коллектора обычно находится в пределах 30...50 мА.
Усиление каскада со встречной динамической нагрузкой (рис.114) [22] при работе на каскад с высоким входным сопротивлением достигает 5000.
Вариант применения мостовой схемы для увеличения мощности примерно в 4 раза при том же напряжении питания показан на рис. 115. Управление таким каскадом осуществляют парафазным сигналом.
В выходном каскаде усилителя мощности (рис. 116) [23] благодаря применению дополнительных транзисторов VT5, VT6 исключены сквозные токи.
Разумеется, приведённые схемы не исчерпывают всего многообразия схемотехнических решений на сегодняшний день. Приведены лишь наиболее интересные и часто встречающиеся решения, на взгляд автора.
Литература
18. Радиолюбитель. - 1991. - №7. - С.26.
19. Красов Ю. Входные каскады высококачественных усилителей низкой частоты. - М.: Радио и связь, 1982.
20. Васильев В. Радиолюбители сельскому клубу. - М.: Радио и связь, 1983.
21. А.с. 1300631 публ. 133-14-87.
22. За рубежом // Радио. - 1976. - N 9. - С.61.
23. А.с. 1069131.
Рис. 88.
Рис. 89.
Рис. 90.
Рис. 91.
Базовый резистор заменён Т - мостом, где C=Ku/φ2pн pR. Обычно R1 принимают равным R2.
Рис. 92.
Используется для усиления относительно слабых сигналов. Изменение температуры не влияет на работу схемы.
Рис. 93.
Аналогичный каскад с трансформаторной связью на входе.
Рис. 94.
RC - цепь, параллельную резистору Rэ применяют для увеличения усиления по переменному току, а так же для коррекции АЧХ каскада. Сопротивление резистора Rэ в зависимости от тока коллектора выбирают от долей ома в мощных выходных каскадах до нескольких килоом в маломощных. Ток базового делителя желательно иметь примерно в 10 раз больше тока базы.
Рис. 95.
Цепь смещения при двухполярном питании:
Рис. 96.
За счёт применения Rэ динамический диапазон такой схемы выше, чем у каскада с компенсационным смещением на согласованном транзисторе.
Рис. 97.
Коэффициент усиления - 5000 и более. Недостаток - низкая нагрузочная способность, проявляющаяся в явно выраженных искажениях в виде чётных гармоник.
Рис. 98.
Входное сопротивление каскада - около 200 кОм, коэффициент усиления Кu=K2/K3=10.
Рис. 99.
Рис. 100.
Позволяет получить усиление 20000 и более. Реализовать такое усиление можно только при работе каскада на составной эмиттерный или истоковый повторитель.
Рис. 101.
В отличие от каскада с ОЭ нелинейные искажения значительно меньше, поскольку напряжение отсечки Uотс=1..5В намного больше, чем температурный потенциал φт=25мВ биполярных транзисторов. Линейная область входных напряжений значительно шире и сильно зависит от выбора рабочей точки Iсп/Iсmах , где Iсп - ток стока покоя, Iсmах - максимальный ток стока.
Рис. 102.
Рис. 103.
Коэффициент усиления -10;
полоса пропускания, Гц - 5...25000;
номинальное входное напряжение -150мВ;
максимальное входное напряжение - 700мВ;
коэффициент шума - 80...85 дБ;
коэффициент гармоник - <0.05%
Рис. 104.
Рис. 105.
имеет коэффициент усиления около 100...150. Благодаря съёму сигнала с эмиттера транзистора VT2 каскад имеет низкое входное сопротивление. Номинальное входное напряжение - 20мВ.
Рис. 106.
Рис. 107.
Рис. 108.
Рис. 109.
Рис. 110.
Для получения необходимой АЧХ или её коррекции вместо Rк или параллельно ему включают различные (параллельные или последовательные) LC - или RC - цепи. Входное сопротивление каскада с общей базой (ОБ) на определённых частотах имеет индуктивную составляющую, которую можно использовать для ВЧ - коррекции.
Рис. 111.
Рис. 112.
Кус=10. Минимального уровня шумов добиваются подбором R5, который зависит от напряжения питания. При этом ток коллектора обычно находится в пределах 30...50 мА.
Рис. 113.
При работе такого каскада на каскад с высоким входным сопротивлением коэффициент усиления может достигать 5000.
Рис. 114.
Для управления используются противофазные сигналы.
Рис. 115.
Благодаря применению дополнительных транзисторов VT5, VT6 исключены сквозные токи.
Рис. 116.
| PREV | CONTENTS | NEXT |