Главная » Мануалы

1 ... 9 10 11 12 13 14 15 ... 51

I рЛЛ/V

Ф и г, 3.6. Каскад истокового повторителя.

Величина входного сопротивления ограничена утечками и составляет примерно 10*2 Ом. Выходное сопротивление определяется по формуле

R

при

(3.8)

Величина входной емкости равна

при

(3.9)

Пренебрегая вторым слагаемым в выражении для входной емкости, находим приближенное значение частоты полюса передаточной характеристики из выражения

при

rgs > Ra, Сi Cgrf.

(3.10)

Основные характеристики остальных типов промежуточных каскадов могут быть определены путем экстраполяции результатов анализа дифференциальных каскадов, проведенного в гл. 1. Как уже говорилось в разд. 1.1, дифференциальный каскад состоит из двух усилителей по схеме с общим эмиттером или общим истоком, которые рассматриваются как включенные последовательно при анализе для дифференциальных сигналов. Характеристики отдельных несимметричных каскадов могут быть описаны на основе материала разд. 1.1 и 1.2, если вновь обратиться к указанным там аналогиям. При этом выражения

0 SRr

Фиг. 3.7. Эквивалентная схема каскада с общим эмиттером.

ДЛЯ каскадов с общим эмиттером или общим истоком оказываются сходными с результатами, полученными для дифференциальных каскадов. Такое единообразие упрощает анализ последовательно включенных дифференциального и несимметричного каскадов при рассмотрении усилителя в целом. Эта задача ставится в следующей главе. Эквивалентная схема каскада с общим эмиттером показана на фиг. 3.7. Величина коэффициента усиления по напряжению на низких частотах для этой схемы равна

(3.11)

где Re = RE + Ге, Re < Гс(1 - а).

При типовых значениях сопротивлений коллекторной нагрузки это выражение имеет вид

при Rc<t:rc{l-a).

(3.12)

Re + -

Р

Входное сопротивлеТние каскада с общим эмиттером в случае очень -больших сопротивлений нагрузки определяется по формуле

Rc + -c

RlRe-

(3.13)

в случае нормальных величин нагрузки выражение упрощается: RiR, при 7?с<-Л1-а)- (3.14)

Выходные сопротивления с учетом и без учета нагрузки Rc равны соответственно

Re + -

Ro = г с 1 при Ra < г с.

Входная емкость определяется по формуле

(3.15) (3.16)

Z = -о

(3.17)

Этой емкостью обусловлен главный полюс передаточной характеристики, частота которого приблизительно равна

Re +

(3.18)

Аналогичным образом могут быть описаны характеристики каскада с общим истоком на основе выражений для дифференциальной схемы. Получающаяся при этом эквивалентная схема для анализа приведена на фиг. 3.8. Из этих, соображений нетрудно получить следующее выражение для коэффициента

Фиг. 3.8. Эквивалентная схема каскада с общим истоком.

усиления на низких частотах, справедливое при условии fgs + Rs,

Обычно Rb < rds, И можно упрощенно записать

Входное сопротивление определяется большим обратным сопротивлением перехода затвор - канал и поверхностными утечками и достигает величины 10* Ом. Выходное сопротивление ненагруженного каскада в случае rgs Rg -\- Rs и rds > Rs описывается выражением

--..О + fA)- (3-21)

В случае типбвых значений нагрузочных сопротивлений выполняются условия rds > /?г) и rds > Rs- Тогда

Ro-Rd- (3-22)

Входная емкость равна где

Из уравнения (3.23) вытекает следующее выражение для частоты полюса передаточной функции:

Для получения высокого усиления в промежуточных каскадах вместо нагрузочного резистора часто-используется источник тока. Большая величина динамического выходного сопротивления позволяет получить повышенное сопротивление нагрузки и избежать большого режимного падения напряжения. При работе на такую нагрузку каскада с общим эмиттером, как показано на фиг. 3.9, высокое усиление по напряжению сопровождается сужением полосы пропускания и уменьшением входного сопротивления. Для упрощения анализа допустим, что режим обоих транзисторов задается одинаковыми сопротивлениями и оба транзистора обладают идентичными параметрами. Нагрузкой является входное сопротивление Ьледующего каскада Rn-

Нижний по схеме транзистор нагружен на выходное-сопротивление источника тока, параллельно которому включено сопротивление Яц. Подставляя в уравнение (3.16) R12 вместо Rc, получаем

+ 2

Нижняя граница величины этого нагрузочного сопротивления определяется значением R12, которое обычно больше типовых величин сопротивлений резисторов в коллекторных цепях. Коэффициент усиления по напряжению при работе на

-такую высокоомную нагрузку может быт^з найден из уточненного выражения (3.11). В данном

, случае можно несколько упростить это уравнение, если допустить, что Rl Гс, Rc < Гс, \ - а ~. Тогда

Фиг. 3.9. Каскад по схеме с общим эмиттером, использующий источник тока вместо резистора в коллекторной цепи.

СГс

Подставляя в это уравнение вместо Rc приведенное выше выражение для Rl, находим коэффициент усиления .рассматриваемого каскада на низких частотах:

+ 3R

(3.25)

Значительная величина нагрузочного сопротивления влияет также на входное и выходное сопротивления и полосу пропус- кания. Входное сопротивление может быть определено из уравнения (3.13) при допущении

справедливого при условии Rc <С Гс. Замена сопротивления Rc в этом уравнении на выведенное выще соотношение для Rl

приводит К выражению

(3.26)

Заметим, что величина Ri в данном случае существенно уменьщается по сравнению со значением р/?е, определяемым из выражения (3.14) для низкоомной нагрузки. Выходное сопротивление каскада с общим эмиттером сильно возрастает при работе на источник тока вместо нагрузочного резистора. По отнощению к входному сопротивлению последующего каскада Ri2 выходное сопротивление будет определяться параллельным включением двух выходных сопротивлений транзисторов. В случае идентичных параметров транзисторов и резисторов, задаюхдрх режим, выходное сопротивление каскада в соответствии с выражением (3.15) будет равно

2 k + Ra

при Rq < Гс.

(3.27)

Повыщение усиления сопровождается сужением полосы пропускания, которую можно определить при помощи схемы замещения каскада. Такая схема образуется из схемы замещения транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером (фиг. 3.7), и эквивалентной схемы выходной цепи (фиг. 1.12). Последняя позволяет учесть влияние частотных характеристик источника тока. Поскольку в схеме фиг. 1.12 все частотно-зависимые параметры приведены к выходу, их можно непосредственно объединить с элементами выходной цепи каскада с общим эмиттером. Источник тока выполнен на одном транзисторе, поэтому его выходная емкость будет вдвое больще, чем у дифференциального каскада. Из этих соображений приходим

Фиг. 3.10. К анализу сземы фиг. 3.9.

С/= 1 -f

l+.iis>Ro\\Ri2{Cc+co)

Re + -

г' о г

Полученную схему можно использовать для полного анализа частотной характеристики, но в данном случае ограничимся рассмотрением главного полюса передаточной функции. Упрощенный метод, позволяющий найти полную частотную характеристику подобных схем, будет изложен в гл. 4. В общем высокое выходное сопротивление динамической нагрузки приводит к преобладанию полюса выходной цепи. Частота этого полюса при условии р 1 равна

3.3> Выходные каскады

Коэффициент усиления по напряжению операционного усилителя определяется в основном входным и промежуточными каскадами. Очевидно, желательно, чтобы эти каскады не ис-; пытывали щунтирующего действия со стороны нагрузки. При этом характеристики усилительных каскадов не будут зависеть от величины нагрузки, и амплитуда тока окажется достаточной , для обеспечения полного размаха выходного напряжения. Для того чтобы развязать источник сигнала, которым в данном слу-чае является предыдущий каскад, и нагрузку, выходной каскад, к как и любой усилитель, должен обладать высоким входным и Ь низким выходным сопротивлениями. Удовлетворяя этим требованиям, каскад должен также обеспечивать необходимую величину выходного тока и, следовательно, обладать достаточным усилением по току. Необходимо также, чтобы преобразование сопротивлений сочеталось с хорошими частотными характеристиками; таким образом, следует стремиться к получению малой входной емкости и широкой полосы пропускания. Наиболее распространенными типами выходных каскадов являются разновидности эмиттерных повторителей, приспособленные для того, чтобы удовлетворить всем этим требованиям. Основные

к эквивалентной схеме каскада с общим эмиттером, работающего на динамическую нагрузку (фиг. 3.10). Здесь сопротивления Ri и Ro определяются при помощи выражений (3.26) и (3.27). Емкости равны

Фиг. 3.11. Выходной эмиттерный повторитель в режиме класса А.

свойства эмиттерного повторителя, который также может применяться в качестве выходного каскада были изложены в предыдущем разделе, где было показано, что эта схема обладает высоким входным и низким аы-ходным сопротивлениями,- большим усилением по току и широкой полосой пропускания, т. е. отвечает необходи: мым требованиям. Улучшение ряда параметров - снижение тока покоя, повышение диапазонов выходных напряжений и токов - достигается в случае использования некоторых усовершенствованных схем на основе эмиттерного повторителя. Еще одной распространенной разновидностью выходного каскада является ехема с управляемой динамической нагрузкой, которая будет также рассмотрена в этой главе. Эта схема обладает не только способностью преобразовывать сопротивления, но и дает усиление по напряжению.

Основная схема эмиттерного повторителя удовлетворяет многим из требований, предъявляемых к выходным каскадам, но потребляет повышенный ток покоя в случае, если необходимо обеспечивать выходной сигнал обеих полярностей. Из рассмотрения схемы эмиттерного повторителя класса А (фиг. 3.11) очевидно, что при выходном сигнале отрицательной полярности ток через транзистор уменьшается и максимальный размах выходного сигнала ограничен величинами сопротивления Rb и напряжением источника питания V . Для того чтобы подать в нагрузку выходной ток заданной амплитуды /о при отрицательном напряжении, режимный ток через резистор Rb должен быть по меньшей мере равен /о. Таким образом, величина выходного тока ограничена значением

В действительности для уверенной передачи отрицательного выходного сигнала при заданной величине выходного тока необходимо установить ток покоя с некоторым запасом. В случае выходного сигнала, характеризующегося максимальными значениями тока и напряжения /о max и Уотах соответственно, требуемый ток покоя равен

Если требуется выходное напряжение только одной полярности, то необходимость больших токов покоя отпадает, поскольку

а

QI/h-

Фиг. 3.12. Двухтактнь;е выходные эмиттерные повторители, работающие в режимах класса В (а) и АВ (б).

весь выходной ток проходит через транзистор. Однако для большинства операционных усилителей желателен разнополяр-ный выход; при этом часто применяются каскады в режиме класса В, в которых ток покоя меньше, чем амплитуда выходного тока.

В каскаде эмиттерного повторителя в режиме класса В используются два различных транзистора для передачи сигнала каждой полярности. Как видно из фиг. 3.12, а, выходные уровни сигнала не зависят здесь от величины тока покоя. В самом деле, при использовании биполярных транзисторов в режиме класса В можно обойтись вообще без тока покоя, так как оба эмиттерных перехода заперты при нулевых напряжениях на входе и вы-

ходе. Однако в диапазоне входных

сигналов примерно от -0,5 В до

--0,5 В возникает нелинейность типа

, зоны нечувствительности , когда оба транзистора заперты. Внутри этой зоны выходной сигнал равен нулю; в результате возникают переходные искажения, как показано на фиг. 3.13 для случая синусоидального сигнала.

Обратная связь, поданная с выхода на Фиг. 3.13. Переходные ис-предыдущие каскады, уменьшает ис- ГнГа\ыхГн1°ГГд°о° кажения, ускоряя переход входного а биполярных транзисто-Сигнала через зону нечувствитель- рах в режиме класса В.

НОСТИ . Практически чаще используется другое схемное решение, позволяющее устранить запертое состояние, несколько изменив режим каскада. В схеме фиг. 3.12,6, работающей в режиме класса АВ, добавлены диоды, задающие прямое смещение на выходные транзисторы в режиме покоя. При этом один из транзисторов начинает открываться, когда изменение сигнала запирает другой. Ток покоя данного выходного каскада определяется током через диоды, соотношением падений напряжений на диодахи выходных транзисторах и сопротивлением резисторов в цепях эмиттеров. Обычно используются диоды с площадями р - -переходов, меньшими, чем площади эмиттерных переходов транзисторов, а падения напряжений на диодах в режиме покоя оказываются соответственно большими.

Характеристики двухтактных каскадов в режимах классов В и АВ на основе эмиттерного повторителя аналогичны соответствующим характеристикам обычного повторителя, рассмотренным в предыдущем разделе. Исключение представляют величины токов покоя. При сигнале, отличном от нуля, один из двух транзисторов схемы в режиме класса В работает в активном режиме и по существу представляет собой обыкновенный эмиттерный повторитель, нагруженный запертым транзистором. Почти во всем диапазоне выходных сигналов один из транзисторов каскада в режиме класса АВ также закрыт, и для приближенного анализа можно использовать это обстоятельство. Предположим, что в схемах фиг. 3.12 каскадов в режиме классов В или АВ заперт р - п - р-транзистор; в этом случае пригодна эквивалентная схема фиг. 3.14 для анализа по переменному току; Здесь приняты два допущения. Во-первых, обратное сопротивление эмиттерного перехода транзистора р - п - р исключено из рассмотрения, поскольку оно практически не шунтирует выходное сопротивление транзистора п - р - п. Во-вторых, опущено прямое Сопротивление смещающего диода, пренебрежимо малое по сравнению с входным сопротивлением транзистора п - р - п. В результате влияние закрытого транзистора ограничено его емкостью коллектор - база Сс2- Параметры каскадов в режиме классов В и АВ, такие, как усиление, входное и выходное сопротивления, совершенно аналогичны соответствующим параметрам простого эмиттерного повторителя, рассмотренным в разд. 3.2. Входные емкости каскадов в режиме классов В и АВ больше, чем у обычного, для которого справедливо выражение (3.5). Учитывая емкость Сс2 запертого транзистора, получаем

С/ = 2С, при Сс1Сс2. (3.29)

Увеличение входной емкости повлияет также и на частоту полюса передаточной функции. Соответствующее уравнение (3.6)

1 ... 9 10 11 12 13 14 15 ... 51