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.

---

Нагрузки рассматриваемого каскада по постоянному и переменному току определяются как:

R= = Rк;

R≈ = Rк ∥ Rн.

Координаты рабочей точки (Uк0, Iк0, Uбэ0, Iб0) для малосигнальных усилительных каскадов выбирают на линейных участках входной и выходной ВАХ БТ, используя в малосигнальных усилительных каскадах так называемый режим (класс) усиления А. Другие режимы работы каскадов чаще используются в усилителях мощности, и будут рассмотрены в соответствующем разделе.

При отсутствии в справочных данных ВАХ БТ, координаты рабочей точки могут быть определены аналитическим путем (см. рисунок 2.10):

Uк0 = Uвых + Uн,

где Uн — напряжение нелинейного участка выходных статических ВАХ транзистора, Uн=1…2 В;

Iк0 ≥ Uвых / R≈,

Iб0 = Iк0 / H21э,

Uбэ0 = 0,6…0,8 В (для кремниевых транзисторов),

Uбэ0 = 0,4…0,6 В (для германиевых транзисторов).

Если для малосигнальных каскадов в результате расчета по вышеприведенным формулам значения Uк0 и Iк0 окажутся, соответственно, меньше 2 В и 1 мА, то, если не предъявляются дополнительные требования к экономичности каскада, рекомендуется брать те значения координат рабочей точки, при которых приводятся справочные данные и гарантируются оптимальные частотные свойства транзистора.

 Для расчета параметров усилительного каскада по переменному току удобно использовать методику, описанную в разделе 2.3, а БТ представлять моделью, предложенной в разделе 2.4.1.

Полная электрическая схема усилительного каскада с ОЭ приведена на рис. 2.11.

Рисунок 2.11. Усилительный каскад со ОЭ

В отличие от ранее рассмотренного каскада (рис.2.9) здесь применена эмиттерная схема термостабилизации (Rб1, Rб2, Rэ), обеспечивающая лучшую стабильность режима покоя, принцип ее работы будет рассмотрен далее. Конденсатор Cэ необходим для шунтирования Rэ с целью соединения эмиттера транзистора с общим проводом на частотах сигнала (устранения обратной связи на частотах сигнала, вид и характер этой связи будет рассмотрен в соответствующем разделе).

Приведем эквивалентную схему каскада для частот сигнала (рис. 2.12).

Рисунок 2.12. Схема каскада с ОЭ для частот сигнала

С целью упрощения анализа каскада выделяют на АЧХ области НЧ, СЧ и ВЧ (см. рис. 2.2), и проводят анализ отдельно для каждой частотной области.

Эквивалентная схема каскада в области СЧ приведена на рисунке 2.13.

Рисунок 2.13. Схема каскада с ОЭ в области СЧ

Как видно, эта схема не содержит реактивных элементов, т.к. в области СЧ влиянием на АЧХ разделительных (Cp1, Cp2) и блокировочных (Cэ) емкостей уже можно пренебречь, а влияние инерционности БТ и Cн еще незначительно.

Проведя анализ схемы, найдем, что

K0 = S0Rэкв,

где Rэкв ≈ Rк ∥ Rн;

gвх ≈ g + G12,

где G12 = 1/R12 = 1/(Rб1 ∥ Rб2);

gвых ≈ g = 1/Rк.

Эти соотношения получены в предположении, что низкочастотное значение внутренней проводимости транзистора g22э много меньше gк и gн. Это условие (если не будет оговорено особо) будет действовать и при дальнейшем анализе усилительных каскадов на БТ. Такое допущение справедливо потому, что БТ является токовым прибором и особенно эффективен при работе на низкоомную нагрузку.

Эквивалентная схема каскада в области ВЧ приведена на рисунке 2.14.

Рисунок 2.14. Схема каскада с ОЭ в области ВЧ

Поведение АЧХ в этой области определяется влиянием инерционности транзистора и емкости Cн.

Проведя анализ согласно методике раздела 2.4, получим выражение для коэффициента передачи каскада в области ВЧ:

где τв — постоянная времени каскада в области ВЧ.

Постоянную времени каскада для удобства анализа представим так:

τв = τ + τ1 + τ2,

где τ — постоянная времени транзистора (),

τ1 — постоянная времени выходной цепи транзистора,

τ1 = S0CкrбRэкв;

τ2 — постоянная времени нагрузки,

τ2 = CнRэкв.

Входную проводимость представим в виде:

где Cвх.дин — входная динамическая емкость каскада,

Cвх.дин ≈ Cэд + (1 + K0)Cк = τ/rб + (1 + K0)Cк.

Выходная проводимость определится как

где Cвых — выходная емкость каскада, Cвых=CкS0rб.

Выражения для относительного коэффициента передачи Yв и коэффициента частотных искажений Mв в комментариях не нуждаются:

φв = –arctg ωτв,

Mв = 1/Yв

По приведенным выражениям строится АЧХ и ФЧХ каскада в области ВЧ.

Связь коэффициента частотных искажений Mв и fв выражается как

В n-каскадном усилителе с одинаковыми каскадами наблюдается эффект сужения полосы рабочих частот, который можно скомпенсировать увеличением верхней граничной частоты каскадов fвi до

Эквивалентная схема каскада в области НЧ приведена на рисунке 2.15.

Рисунок 2.15. Схема каскада с ОЭ в области НЧ

Поведение АЧХ в этой области определяется влиянием разделительных (Cр1, Cр2) и блокировочных (Cэ) емкостей.

Влияние этих емкостей на коэффициент частотных искажений в области НЧ Mн каскада можно определить отдельно, используя принцип суперпозиции. Общий коэффициент частотных искажений в области НЧ определится как

где N — число цепей формирующих АЧХ в области НЧ.

Рассмотрим влияние Cр2 на АЧХ каскада. Проведя анализ согласно методике раздела 2.4, получим выражение для коэффициента передачи в области НЧ:

Kн = K0/(1 + 1/jωτн),

где τн — постоянная времени разделительной цепи в области НЧ.

Постоянная времени разделительных цепей в общем случае может быть определена по формуле

τн = Cр(RЛ + RП),

где RЛ — эквивалентное сопротивление, стоящее слева от Cр (обычно это выходное сопротивление предыдущего каскада или внутреннее сопротивление источника сигнала), RП — эквивалентное сопротивление, стоящее справа от Cр (обычно это входное сопротивление следующего каскада или сопротивление нагрузки).

Для рассматриваемой цепи постоянная времени равна:

τн2 = Cр2(Rк + Rн).

Выражения для относительного коэффициента передачи и коэффициента частотных искажений в области НЧ таковы:

φн = –arctg ωτн,

Mн = 1/Yвн

и в комментариях не нуждаются. По этим выражениям оценивается влияние конкретной цепи на АЧХ и ФЧХ каскада в области НЧ.

Связь между коэффициентом частотных искажений и нижней граничной частотой выражается формулой