А. Красько - Схемотехника аналоговых электронных устройств

• Название: Схемотехника аналоговых электронных устройств
• Автор: А. Красько
• Издательство: Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники
• Жанр: Все книги в жанре Компьютерное "железо"
• Год: 2005

В учебном пособии рассмотрены теоретические основы и принципы действия аналоговых устройств на биполярных и полевых транзисторах. Анализируются основные схемы, используемые в аналоговых трактах типовой радиоэлектронной аппаратуры, приводятся расчетные формулы, позволяющие определить элементы принципиальных схем этих устройств по требуемому виду частотных, фазовых и переходных характеристик. Излагаются основы построения различных функциональных устройств на основе операционных усилителей. Рассмотрены так же ряд специальных вопросов с которыми приходится сталкиваться разработчикам аналоговых электронных устройств – оценка нелинейных искажений, анализ устойчивости, чувствительности и др.

Пособие предназначено для студентов, обучающихся по направлениям подготовки 552500, 654200 – «Радиотехника», 654100 – «Электроника и микроэлектроника», и может быть полезно для преподавателей и научных работников.

---

где τос=RосCос.

Анализ полученного выражения упрощается в предположении τв=τОС. При этом условии имеем:

где τвОС=τв/F (см. так же подраздел 2.9).

Уменьшение постоянной времени каскада в области ВЧ приводит к увеличению верхней граничной частоты fв (уменьшению tу) каскада. Площадь усиления каскада с ОИ и истоковой коррекцией при этом не меняется:

Пос = K0ОС·fвОС = K0·fв.

Расчет каскада с истоковой коррекцией в области НЧ ничем не отличается от расчета некорректированного каскада за исключением того, что формула для постоянной времени цепи истока будет выглядеть иначе:

τнИ ≈ Cи(1/S + Rос).

В зависимости от цели введения ООС в каскад, глубину ООС можно определить по следующим соотношениям:

F = K0/K0ОС, либо F = fвОС/fв.

При этом Rос=(F–1)/S0 и Cос=1/(ωвОС·Rос).

Каскад с ОЭ и ПООСТ еще носит название каскада с эмиттерной коррекцией.

В отличие от ПТ, в БТ крутизна частотнозависима, поэтому даже при частотно-независимой цепи ООС (Cос=0) наблюдается эффект коррекции АЧХ и ПХ за счет уменьшения глубины ООС на ВЧ:

,

где τвОС=τ/F+τ1/F+τ2 (см. так же подраздел 2.5).

Нетрудно увидеть, что эмиттерная коррекция каскада на БТ при частотно-независимой цепи ООС (Cос=0) эффективна при τ2<<(τ+τ1), т.е. в каскадах с малой емкостью нагрузки.

Воспользовавшись рекомендациями подраздела 2.3,получим выражение для комплексного коэффициента передачи каскада с эмиттерной коррекцией в области ВЧ:

где τос=RосCос, τ'=K0RосCн.

Эмиттерная коррекция позволяет значительно увеличить fв (уменьшить tу) при заданных величинах подъема АЧХ на ВЧ (выброса ПХ δ в области МВ). Готовые таблицы и графики для расчета каскада с эмиттерной коррекцией приведены в [6].

Входная емкость каскада с ПООСТ уменьшиться примерно в F раз:

C вх дин ОС = τ/rб/F + (1 + K0ОС)Cк ≈ Cвх дин/F.

Расчет каскада с ОЭ и ПООСТ в области НЧ ничем не отличается от каскада без ОС (следует только учитывать изменение Rвх при расчете постоянных времени разделительных цепей), исключение составляет расчет постоянной времени цепи эмиттера:

τнэОС = Cэ(1/S0 + Rос).

3.3. Последовательная ООС по напряжению

Входное сопротивление усилителя с ООС определяется способом подачи напряжения ОС во входную цепь. Согласно элементарной теории ОС, последовательная ООС по напряжению (ПООСН) увеличивает входное сопротивление усилителя в F раз, т.е.

RвхОС = Rвх·F.

Выходное сопротивление усилителя с ООС определяется способом снятия напряжения ОС с нагрузки усилителя. Согласно элементарной теории ОС, ПООСН уменьшает выходное сопротивление усилителя в F раз, т.е.

RвыхОС = Rвых/F.

Уменьшение выходного сопротивления УУ снижает зависимость выходного напряжения от изменения величины нагрузки, следовательно, можно утверждать, что ПООСН стабилизирует коэффициент усиления по напряжению при изменении нагрузки. Ранее были рассмотрены эмиттерный и истоковый повторители, в которых имеет место 100%-ная ПООСН (подразделы 2.8, 2.11), поэтому ограничимся иллюстрацией применения ПООСН — трехкаскадным интегральным усилителем с внешней цепью ОС (резистор Rос, рисунок 3.4).

Рисунок 3.4. Усилитель с общей ПООСН

Возможность менять глубину общей ООС значительно расширяет сферу применения данного усилителя и делает ИМС многоцелевой.

3.4. Параллельная ООС по напряжению

Согласно элементарной теории ОС, параллельная ООС по напряжению (∥ООСН) не меняет коэффициент усиления по напряжению K0 усилителя, но за счет изменения его входного сопротивления меняется сквозной коэффициент усиления KE. В результате уменьшения входного сопротивления Rвх к входу усилителя приложится напряжение

Uвх = Eг·νвх,

где νвх — коэффициент передачи входной цепи УУ.

По аналогии с K0ОС можно записать:

KE ОС = KE/(1 + βK0) = νвхK0/(1 + βK0).

При глубокой ∥ООСН (βK0 >> 1) получаем:

KE ОС ≈ νвх/β.

Входное сопротивление усилителя с ∥ООСН определится как:

RвхОС = Rвх/FI,

где глубина ООС по току FI=1+βIKI, βI=Iос/Iвых.

Величину выходного сопротивления УУ, охваченного ∥ООСН, можно приближенно оценить по уже известному соотношению:

RвыхОС ≈ Rвых/F.

Из изложенного следует, что ∥ООСН стабилизирует сквозной коэффициент усиления по напряжению при постоянном сопротивлении источника сигнала, уменьшает входное и выходное сопротивления усилителя.

Каскад на БТ с ОЭ и ∥ООСН представлен на рисунке 3.5.

Рисунок 3.5. Усилительный каскад на БТ с ОЭ и ∥ООСН

При ∥ООСН выходное напряжение каскада вызывает ток ОС, протекающий через цепь ОС RосLосCрос. Ранее (см. подраздел 2.6) рассматривалась схема коллекторной термостабилизации, работа которой основана на действии ∥ООСН. В данном же каскаде ∥ООСН действует только на частотах сигнала, что отражено на рисунке 3.5б.

Воспользовавшись рекомендациями подраздела 2.3, получим выражения для основных параметров в области СЧ. Для коэффициента усиления по напряжению получим:

т.к. S0Rос>>1, Rэкв=Rк∥Rн. В большинстве случаев Rос>Rэкв, поэтому K0 меняется незначительно. Само же изменение K0 объясняется тем, что, в отличие от классической структуры УУ с ∥ООСН, в реальной схеме каскада нет столь четкого разделения цепи ОС и цепи прямого усиления.

Входное сопротивление каскада с ∥ООСН равно:

Обычно K0>>g(Rос+Rэкв), Rос>Rэкв и K0>>1, тогда

Выходное сопротивление каскада с ∥ООСН равно:

т.к. как правило S0>>g и S0Rг>>1.

Для определения параметров каскада в области ВЧ следует воспользоваться соотношениями для каскада с ОЭ (см. подраздел 2.5), принимая во внимание, что при расчете постоянной времени каскада τв следует учитывать выходное сопротивление каскада с ∥ООСН, т.е. Rэкв=Rвых∥Rн и влияние ∥ООСН на крутизну — S0ОС=S0–1/Rос.

Следует заметить, что существует возможность коррекции АЧХ (ПХ) в области ВЧ (МВ) путем включения последовательно с Rос корректирующей индуктивности Lос. Эффект коррекции объясняется уменьшением глубины ООС в области ВЧ (МВ). Расчет каскада с ОЭ и ∥ООСН в области НЧ ничем не отличается от расчета каскада без ОС (следует только учитывать изменение Rвх и Rвых при расчете постоянных времени разделительных цепей), исключение составляет расчет разделительной емкости Cрос из условия XCрос≤Rос/(10…20).