Главная » Мануалы

1 2 3 4 5 6 ... 51

определяться шунтированием резистора Гс емкостью Сс. Выходное сопротивление, приведенное к коллекторным резисторам, будет падать при возрастании частоты от величины, соответствующей уравнению (1.5), до значения, обусловленного постоянной времени, образуемой параллельно соединенными Гс и Сс. Таким образом,

/?о^2Гс

Re+-

1 -f iarf

(1.20)

Поскольку выходное сопротивление определяется резистором Ro, включенным параллельно с выходной емкостью, имеем

Сопоставляя три последних выражения, получаем эквивалентную выходную емкость дифференциального каскада в виде

R. + Rr

Re + -

(1.21)

Соответствующая эквивалентная схема дифференциального каскада приведена на фиг. 1.12.

Выведенные выше выражения выходного сопротивления, выходной емкости и полюса частотной характеристики отражают влияние обратной передачи в каскаде на биполярных транзисторах, что вытекает из сильной зависимости от сопротивления источника сигнала. В результате этой обратной передачи каскадное соединение одного дифференциального каскада с другим


Фиг. 1.12. Эквивалентная схема выходной цепи дифференциального каскада на биполярных транзисторах для дифференциального сигнала.



Ro 2гс 100 МОм при /с = 30 мкА, С;--% = 1,5пФ.

при Ra < Re

При увеличении сопротивления источника сигнала выходное сопротивление уменьшается, и возрастающая эквивалентная выходная емкость ограничивает полосу пропускания. В случае Rg Re имеем

;?;*2гЛ1-а) :==1 МОм при /с = 30мкА,

С^-2(1%-150 Ф' 1- а I

Сопоставление двух приведенных выше случаев показывает, что при сопротивлениях источника сигнала, больших по сравнению с величиной Re, происходит уменьшение выходного сопротивления и сужение полосы пропускания, а также увеличение выходной емкости примерно пропорционально коэффициенту усиления по току транзисторов.

В случае дифференциального каскада на полевых транзисторах частотные характеристики определяются путем аналогичного анализа. Емкости полевого транзистора показаны на эквивалентной схеме фиг. 1.13, а. Маломощные полевые транзисторы обычно имеют емкость затвор -сток порядка 3 пФ и емкость затвор -исток около 6 пФ. Как и в рассмотренном ранее случае, величина входной емкости обусловлена преимущественно эффектом Миллера, а влияние емкости затвор - исток пренебрежимо мало. При включении транзисторов по схеме с общим истоком входное и выходное сопротивления увеличиваются при наличии резистора в цепи истока аналогично случаю, рассмотренному в разд. 1.1. Из проведенного ранее анализа известно, что сопротивления при включении с общим истоком уменьшаются вдвое по сравнению с дифференциальной схемой. Это обстоятельство учтено на фиг. 1.13,6. Поскольку эта эквивалентная схема имеет такой же вид, как и схема на фиг. 1.9,6

изменяет характеристики обоих. Заметим, что, когда сопротивление источника сигнала стремится к нулю, выходное сопротивление увеличивается, а выходная емкость одновременно уменьшается, приводя к увеличению частоты полюса. Ниже приведены типовые значения параметров




4


Фиг. 1.13 П-образная схема замещения полевого транзистора с р -п-переходом (а); эквивалентная схема с общим истоком (б); эквивалентная схема

эффекта Миллера (в).

ДЛЯ биполярных транзисторов, емкость обратной передачи .Можно представить при помощи двух эквивалентных емкостей 1 и Сг на фиг. 1.13, е. По аналогии со случаем биполярных транзисторов имеем следующие выражения для этих емкостей:

2 при большом усилении.

Входная емкость каскада для дифференциального сигнала предоставляет собой последовательное соединение входных емкостей



двух транзисторов, образующих схему, и она равна

где

Будучи сравнимой по величине с входной емкостью биполярного каскада, емкость С/ шунтирует гораздо более высокое входное сопротивление полевых транзисторов уже на низких частотах. Выражение для входного сопротивления имеет вид

I + o?C

Пренебрегаем первым слагаемым в уравнении для d и получаем при условии gfsrgs 1

(1.23)

Из-за большой величины емкости С/, обусловленной эффектом Миллера, входное сопротивление оказывается малым по сравнению с огромным входным сопротивлением на постоянном токе. Повысить это сопротивление и соответственно расширить частотный диапазон помогает каскодное включение транзисторов, которое будет рассматриваться в разд. 1.5.

Модель каскада на полевых транзисторах (фиг. 1.14) получена путем сопоставления результатов предыдущего раздела, в котором найдены величины входного сопротивления и коэффициента усиления по постоянному току, и эквивалентных емко-

2R,

а


Фиг. 1.14. Эквивалентная схема дифференциального каскада на /юлевых транзисторах для дифференциального сигнала.



gd ~ *rss I/ I/ Р'

где Ср - емкость выводов, Ср = 0,5 пФ.

Подобно случаю биполярных транзисторов, эквивалентная схема выходной цепи полезна с точки зрения учета влияния Элементов частотной коррекции. 7?С-цепочка, состоящая из выходного сопротивления Ro и эквивалентной выходной емкости о> должна, очевидно, иметь частоту среза, равную частоте полюса, определяемой из выражения (1.25). Получаем

С-}jtE] п 26)

стей, включенных по аналогии со случаем биполярных транзисторов. Практически почти при всех значениях сопротивлений источника сигнала входное сопротивление оказывает пренебре->кимо малое шунтирующее действие и может не учитываться. Используя данную модель и пренебрегая первым членом в выражении для Ci, что допустимо в случае каскадов с высоким усилением, находим частотную характеристику для дифференциального сигнала в виде

. А (/со) - - 1 (1.24)

при условиях Ri Rg и Rs. В соответствии с этим выра-

жением коэффициент усиления по постоянному току не зависит от величины сопротивления Rg источника сигнала, однако частота полюса оказывается весьма чувствительной к Rg вследствие емкостной обратной связи. Из уравнения (1.24) находим следующее соотношение для частоты полюса:

Для того чтобы выразить частотные параметры дифференциального каскада при помощи тех величин, которые обычно принято измерять у полевых транзисторов, следует представить емкость Cgd как функцию Crss- Последняя представляет собой емкость обратной передачи от стока к затвору при условии короткого замыкания на входе. Величина Cgd обратно пропорциональна кубическому корню из напряжения на переходе аналогично рассматривавшемуся ранее случаю для биполярных транзисторов. Следовательно, Cgd относится к Crss как кубический корень из отношения напряжения Vgd к напряжению Vg.dt, при котором измеряется емкость Crss. Таким образом, имеем




Фиг. 1.15. Эквивалентная схема выходной цепи дифференциального каскада на полевых транзисторах для дифференциального сигнала.

Эквивалентная схема выходной цепи показана на фиг. 1.15. Она отображает частотную зависимость параметров каскада на полевых транзисторах для дифференциального сигнала.

В этом и предыдущих разделах были определены низкочастотные и высокочастотные характеристики дифференциального сигнала и получены соответствующие эквивалентные схемы. В следующем разделе будут рассматриваться характеристики каскада для синфазного сигнала.

1.3. Характеристики дифференциального каскада для синфазного сигнала

В' предыдущих разделах указывалось, что полезный сигнал на выходе дифференциального каскада возникает под действием дифференциального входного сигнала. Однако синфазное' напряжение, присутствующее на обоих входах, также приводит к появлению выходного сигнала! На выходе одновременно возникают напряжения, являющиеся следствиями синфазных и дифференциальных погрешностей. Этот вопрос будет обсуждаться в настоящем и следующем разделах. Значение каждого вида погрешностей зависит от того, имеет ли каскад симметричный или несимметричный выход. В полностью сбалансированном каскаде синфазный входной сигнал приводит к изменению только уровня синфазного напряжения на выходе. Для анализа влияния синфазных сигналов при условии баланса рассмотрим схему, представленную на фиг. 1.16. Здесь входные зажимы соединены между собой; аналогичным образом включены и выходы. Дифференциальные напряжения, следовательно, отсутствуют, и эта схема представляет собой сбалансированный дифференциальный каскад, на который воздействуют синфазные сигналы. Упрощение схемы приводит к единому усилителю, включенному с общим эмиттером и имеющему, как показано на фиг. 1.16,6, два параллельно включенных транзистора. Такое представление позволяет определить синфазные характеристики с помощью со-




[. 0-VV4A-M


Фиг. 1.16. Эквивалентные схемы сбалансированных дифференциальных каскадов для синфазного сигнала.

отношений, приведенных в разд. 1,1, для схемы с общим эмиттером.

Величина резистора Rcm должна быть достаточно велика, для того чтобы обеспечивалась стабильность синфазного тока смещения при изменении напряжений на входе. Обычно значение Rcm много больше Re или Ге. Будучи самым большим сопротивлением во входной цепи, Rcm принимает на себя практически весь синфазный сигнал, если только внутреннее сопротивление источника не очень велико. Входное сопротивление для синфазного сигнала, обусловленное значительной величиной Rcm, во много раз больше, чем сопротивление для дифференциального сигнала, определяемое Re- Из выражения для схемы с общим эмиттером получаем при допущении /?с <§С/ с (1 - а) уравнение для входного сопротивления в виде

Icm

R

(1.27)

Величина Ricm колеблется между значениями р/?см и Гс/2 и мо- <ет достичь уровня 100 МОм.

Именно это очень большое входное сопротивление делает не-инвертирующее включение операционного усилителя на биполярных транзисторах предпочтительным при необходимости Исключения шунтирования сопротивления источника сигнала. Выходное сопротивление также улучшается при больших величинах Rcm и для рассматриваемого случая представляет собой



параллельное соединение выходных сопротивлений двух транзисторов, включенных по qxcmc с общим эмиттером. Это сопротивление, выраженное через коллекторные резисторы, равно

Rocm - fc-Kp 1 п (1.28)

при < RcM < {гс/2). Запишем теперь следующее. вы-

ражение выходного сопротивления для синфазного сигнала с учетом резисторов в коллекторных цепях, справедливое при любом виде нагрузки:

Выходное сопротивление, если исключить из рассмотрения случаи очень больщих сопротивлений в цепях коллекторов или источников сигнала, может быть определено по упрощенной формуле

Rocm-f- при условш J?c < - (1-30)

Вследствие значительной величины Rcm синфазные входные сигналы вызывают относительно малые изменения токов в каскаде. Эти изменения соответственно приводят к появлению малых напряжений на резисторах в коллекторных цепях, и синфазное усиление во много раз меньше дифференциального, которое зависит от величины Re. Применение метода анализа каскада с общим эмиттером к схеме фиг. 1.16 при допущении Re <С Rcm позволяет записать следующее выражение для коэффициента усиления синфазного сигнала:

~ RcM (с + .) + Ro Vc (1 - ) + + Rcm]

в случае типовых соотношений между величинами сопротивлений

R г

-<RcM<i- Rc<rAl-a) . можно упростить уравнение (1.31). Имеем

Лост. (1.32)

Частотная характеристика для синфазного сигнала, как и в случае каскада с общим эмиттером,- определяется взаимодействием полного входного сопротивления и сопротивления источ-



ника сигнала и обратной связью через емкость коллектор - база. Входная емкость обусловлена эффектом Миллера, возникающим при участии обеих коллекторных емкостей. Вследствие низкого усиления синфазного сигнала динамическое увеличение -входной емкости довольно мало. Однако влияние емкости перехода эмиттер - база и в этом случае пренебрежимо мало, потому что она щунтирует только малое сопротивление Ге, в то время как .емкость эффекта Миллера подключена к гораздо большему сопротивлению Rcm. Оба транзистора каскада, как показано выше, работают, по существу, параллельно, и их входные емкости складываются. По аналогии с разд. 1.2 входная емкость для синфазного сигнала будет равна

C/cm-2(l-f-2)Cc, (1.33)

taZc = Rol{2 + iwRoCc).

Обычно выполняется условие Zc <С 2Rcm, при этом С/ст 2Сс = 6 пФ. Влияние обратной связи через емкость перехода коллектор - база незначительно вследствие малости синфазного коэффициента усиления, однако необходимо учитывать прямое прохождение сигнала через емкость со входа на выход, поскольку размах напряжения на выходе много меньше размаха на входе. Входной сигнал, больший по сравнению с выходным, будет создавать довольно значительный по величине ток, проходящий на выход через емкость 2Сс, как показано на фиг. 1.17. Этот эффект противоположен возникновению тока обратной связи через емкость Сс в случае, когда выходной сигнал существенно б^)льше входного. Из расчетных соотношений, приведенных в разд. 1.2, для эквивалентной схемы эффекта Миллера получаем следующее выражение для тока через емкость 2Сс.

I = 2{Etcm - Eocm)hCc.

Этот ток, протекающий через две параллельные емкости, можно представить при помощи генератора тока 2}(аЕ{стСс и


Фиг. 1.17. П-образная эквивалентная схема дифференциального каскада на биполярных транзисторах для синфазного сигнала.



Гмва 1

-icm


Фиг. 1.18. Эквивалентная схема сбалансированного дифференциального каскада на биполярных транзисторах для синфазного сигнала.

1сш:См(г,Лнсм) -.(- )

емкости 2Сс на его выходе. Получающаяся при этом эквивалентная схема дифференциального каскада для синфазного сигнала показана на фйг. 1.18. Усиление синфазного сигнала в случае обычно справедливых допущений Ricm, (/?g/2) и Rc <Гс(1 -а) выразится формулой

1 + iRcMc

Чет

(1.34)

Анализ данного соотнощения показывает, что усиление возрастает с частотой из-за прохождения сигнала через емкость Сс


ВШяние прямого прохождения

Фиг. 1.19. Характеристика Боде для синфазного сигнала, иллюстрирующая прямое прохождение сигнала через емкость коллектора и шунтирующее действие этой емкости.



1 2 3 4 5 6 ... 51

Яндекс.Метрика