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.

---

↑←←←←петля ООС ←←←←↓

где символами ⇑ и ⇓ показано, соответственно, увеличение и уменьшение соответствующего параметра. Коэффициенты термостабилизации для этой схемы:

Из этих формул видно, что данная схема имеет лучшую термостабильность (ST1 и ST2 меньше единицы), чем схема с фиксированным током базы.

В схеме коллекторной термостабилизации ООС влияет и на другие характеристики каскада, что должно быть учтено. Механизм влияния данной ООС на характеристики каскада будет рассмотрен далее. Схемные решения, позволяющие устранить ООС на частотах сигнала, приведены на рисунках 2.19б,в.

В большинстве случаев, наилучшими свойствами среди простейших (базовых) схем термостабилизации обладает эмиттерная схема термостабилизации показанная на рисунке 2.20.

Рисунок 2.20. Каскад с эмиттерной термостабилизацией

Эффект термостабилизации в этой схеме достигается:

◆ фиксацией потенциала Uб выбором тока базового делителя Iд>>Iб0, Uб≈const.

◆ введением по постоянному току ООС путем включения резистора Rэ. На частотах сигнала эта ООС устраняется шунтированием резистора Rэ емкостью Cэ.

Напряжение Uбэ0 определяется как:

Uбэ0 = Uб – URэ.

Механизм действия ООС можно изобразить следующей диаграммой:

T⇑⇒I⇑к0⇒U⇓Rэ⇒U⇓бэ0⇒I⇓б0⇒I⇓к0,

↑←←←←петля ООС ←←←←↓

где символами ⇑ и ⇓ показано, соответственно, увеличение и уменьшение соответствующего параметра. Эскизный расчет эмиттерной схемы термостабилизации маломощного каскада можно проводить в следующей последовательности:

◆ Зададимся током делителя, образованного резисторами Rб1 и Rб2:

Iд = (3…10)Iб0;

◆ выбираем URэ = (0,1…0,2)Eк ≈ (1…5) В, и определяем номинал Rэ:

◆ определяем потенциал Uб:

Uб = URэ + Uбэ0;

◆ рассчитываем номиналы резисторов базового делителя:

Rб1 = Uб/Iд,

где Eк=Uк0+URэ+Iк0Rк, Rк определяется при расчете сигнальных параметров каскада.

Коэффициенты термостабилизации для этой схемы:

ST1 ≈ 1/(1 + S0·Rэ),

Здесь R12 — параллельное соединение резисторов Rб1 и Rб1.

Для каскадов повышенной мощности следует учитывать требования экономичности при выборе Iд и URэ.

Анализ полученных выражений показывает, что для улучшения термостабильности каскада следует увеличивать номинал Rэ и уменьшать R12.

Для целей термостабилизации каскада иногда используют термокомпенсацию. Принципиальная схема каскада с термокомпенсацией приведена на рисунке 2.21.

Рисунок 2.21. Каскад с термокомпенсацией

Здесь в цепь базы транзистора включен прямосмещенный диод D, температурный коэффициент стабилизации напряжения (ТКН) которого равен ТКН эмиттерного перехода БТ. При изменении температуры окружающей среды напряжение Uбэ0 и напряжение на диоде Δφ0 будет меняться одинаково, в результате чего ток покоя базы Iб0 останется постоянным. Применение этого метода особенно эффективно в каскадах на кремниевых транзисторах, где основную нестабильность тока коллектора порождает ΔUбТ (из-за относительной малости ΔIкбо). Наилучшая реализация этого метода термокомпенсации достигается в ИМС, где оба перехода естественным образом локализуются в пределах одного кристалла и имеют совершенно одинаковые параметры. Возможно применение других термокомпенсирующих элементов и цепей, например, использующих сочетания БТ и ПТ. Большой класс цепей, питающих БТ, составляют схемы с двумя источниками питания, пример одной из них приведен на рисунке 2.22.

Рисунок 2.22. Каскад с двуполярным питанием

По сути, это схема эмиттерной термостабилизации, у которой "жестко" зафиксирован потенциал Uб, , а ST12≈1/H21э.

Следует отметить возможность применения данных схем термостабилизации при любой схеме использования БТ в любой комбинации.

2.7. Усилительный каскад на биполярном транзисторе с ОБ

 Вариант схемы каскада с ОБ с эмиттерной схемой термостабилизации приведен на рисунке 2.23, схема каскада для частот сигнала — на рисунке 2.24.

Рисунок 2.23. Усилительный каскад с ОБ

Рисунок 2.24. Схема каскада с ОБ для частот сигнала

Каскад с ОБ называют еще "повторителем тока", т.к. коэффициент передачи по току этого каскада меньше единицы:

KI = Iвых/Iвх = Iк/Iэ = H21э/(1 + H21э) = H21б.

При подаче на эмиттер положительной полуволны синусоидального входного сигнала будет уменьшаться ток эмиттера, а, следовательно, и ток коллектора. В результате падение напряжение на Rк уменьшится, а напряжение на коллекторе увеличится, т.е. произойдет формирование положительной полуволны выходного синусоидального напряжения. Таким образом, каскад с ОБ не инвертирует входной сигнал.

 Анализ работы усилительного каскада с ОБ по входным и выходным динамическим характеристикам можно провести аналогично разделу 2.5.

 Для расчета параметров каскада с ОБ по переменному току используем методику раздела 2.3, а БТ представлять моделью предложенной в разделе 2.4.1.

 Представим каскад с ОБ схемами для областей СЧ, ВЧ и НЧ (рисунок 2.25 а,б,в):

Рисунок 2.25. Схемы каскада с ОБ для СЧ, ВЧ и НЧ 

Проведя анализ, получим для области СЧ:

K0 = S0Rэкв,

где Rэкв ≈ Rк ∥ Rн;

gвх = (S0 + g) + Gэ ≈ S0,

где Gэ = 1/Rэ, обычно S0 >> g и Gэ.

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.

 В области ВЧ получим:

,

где τв — постоянная времени каскада в области ВЧ, определяемая аналогично ОЭ.

,

где Cвых — выходная емкость каскада, Cвых=CкS0rб.

т.е. модуль входной проводимости уменьшается с ростом частоты, что позволяет сделать вывод об индуктивном характере входной проводимости каскада с ОБ на ВЧ. Количественно индуктивную составляющую входного импеданса можно оценить следующим образом:

LвхОБ = rб/2πfTm

где m = (1,2…1,6).

Выражения для относительного коэффициента передачи Yв и коэффициента частотных искажений Mв и соотношения для построения АЧХ и ФЧХ каскада с ОБ аналогичны приведенным в разделе 2.5 для каскада с ОЭ.