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.

---

В области НЧ получим:

Kн = K0/(1 + 1/jωτн),

где τн — постоянная времени разделительной цепи в области НЧ.

Далее все так же, как для каскада с ОЭ, за исключением расчета базовой блокировочной цепи, постоянная времени которой приближенно оценивается следующей формулой:

τнб ≈ Cб/g,

сопротивление БТ со стороны базы приблизительно равно 1/g, а влиянием R12 можно пренебречь, обычно R12 >> 1/g.

2.8. Усилительный каскад на биполярном транзисторе с ОК

Схема каскада с ОК с эмиттерной схемой термостабилизацией приведена на рисунке 2.26.

Рисунок 2.26. Усилительный каскад с ОК

Схема для частот сигнала изображена на рисунке 2.27.

Рисунок 2.27. Схема каскада с ОК для частот сигнаа

Каскад с ОК называют еще "повторителем напряжения" или "эмиттерным повторителем", т.к. коэффициент передачи по напряжению этого каскада меньше единицы, что вытекает из его дальнейшего анализа.

При подаче на базу положительной полуволны входного синусоидального сигнала будет увеличиваться ток коллектора и, следовательно, ток эмиттера. В результате падение напряжения на Rэ увеличится, т.е. произойдет формирование положительной полуволны выходного напряжения. Таким образом, каскад с ОК не инвертирует входной сигнал.

Напряжение сигнала, приложенное к эмиттерному переходу, является разностью между Uвх и Uвых. Чем больше и Uвых (при заданном Uвх), тем меньше окажется напряжение, приложенное к эмиттерному переходу, что будет приводить к уменьшению тока эмиттера и, соответственно, к уменьшению Uвых, т.е. в каскаде с ОК проявляется действие ООС, причем 100%-ной.

Анализ работы усилительного каскада с ОК по входным и выходным динамическим характеристикам проводится как для ОЭ (см. раздел 2.5).

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

 Представим каскад с ОК схемами для областей СЧ, ВЧ и НЧ (рисунок 2.28 а,б,в):

Рисунок 2.29. Схемы каскада с ОК для СЧ, ВЧ и НЧ

Проведя анализ, получим для области СЧ:

где Rэкв = Rэ ∥ Rн, F = 1 + S0Rэкв — глубина ООС;

Rвх = R12 ∥ Rвх T,

где Rвх T — входное сопротивление собственно транзистора,

Rвх T = rб + (1 + H21э)·(rэ + Δr + Rэкв);

Rвых = R12 ∥ Rвых T,

где Rвых T — выходное сопротивление собственно транзистора,

т.к. S0>>g и при работе каскада от низкоомного источника сигнала (при этом Rб=R12∥Rг) второе слагаемое оказывается существенно меньше первого. В целом

Rвых ≈ 1/S0,

потому, что, как правило, Rэ >> 1/S0.

В области ВЧ получим:

где τвОК — постоянная времени каскада в области ВЧ, τвОК =(τ+CнRэкв)/F; τ — постоянная времени БТ.

Yвх ≈ 1/R12 + (1/RвхT + jωCвх дин),

где Cвх дин=Cк+Cн/(H21э+1), т.е. каскад с ОК имеет входную динамическую емкость меньшую, чем каскад с ОЭ;

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

LвыхОК = 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 ОК аналогичны приведенным в разделе 2.5 для каскада с ОЭ.

 В области НЧ получим:

Kн = K0/(1 + 1/jωτн),

где τн — постоянная времени разделительной цепи в области НЧ. далее все так же, как для каскада с ОЭ.

Характеристики БТ при различных схемах включения приведены в таблице 2.1.

Таблица 2.1

Характеристики БТ при различных схемах включения

Параметр Схема ОЭ ОБ ОК Rвх Сотни Ом Единицы, десятки Ом Единицы кОм Rвых Единицы кОм Единицы кОм Единицы, десятки Ом KU >>1 >>1 <1 KI >>1 <1 >>1 KP KI·KU  ≈ KU  ≈ KI 

2.9. Усилительный каскад на полевом транзисторе с ОИ

Среди усилительных каскадов, выполненных на полевых транзисторах, наиболее широкое применение получил каскад, в котором ПТ включен по схеме с общим истоком. На рисунке 2.29 приведена принципиальная схема наиболее распространенного варианта каскада с ОИ с цепью автосмещения, служащей для обеспечения режима работы ПТ по постоянному току.

Если БТ разделяется на два типа — p-n-p и n-p-n, отличающиеся противоположными полярностями питающих напряжений, то разновидностей ПТ существует, по меньшей мере, шесть. Рассмотрим схему рисунка 2.29, где изображен ПТ с p-n переходом и n-каналом. Анализ каскадов на других типах ПТ будет отличаться лишь в незначительных деталях.

Рисунок 2.29. Усилительный каскад с ОИ

Выходные статические вольтамперные характеристики (ВАХ) ПТ представлены на рисунке 2.30. В отличие от БТ, у ВАХ ПТ имеется значительная область управляемого сопротивления, в которой возможно использование ПТ в качестве электронного управляемого резистора. В качестве усилительного элемента ПТ используется в области усиления.

Рисунок 2.30. Выходные статические характеристики ПТ

В отсутствие входного сигнала каскад работает в режиме покоя. С помощью резистора Rи задается напряжение смещения U0=Iс0·Rи, которое определяет ток покоя стока Iс0.

Координаты рабочей точки определяются соотношениями:

Uс0 ≥ Uвых + UR,

где UR — граница области управляемого сопротивления на выходных статических характеристиках транзистора (рисунок 2.30),

UR ≈ (1…2) В;

Iс0 ≥ Uвых/R≈,

где R≈= Rс∥Rн — сопротивление нагрузки каскада по переменному току;

),

где Uотс — напряжение отсечки, Iси — ток стока при Uзи=0 В (либо при Uзи=2Uотс для ПТ в режиме обогащения, см. рисунок 2.33 в подразделе 2.10).

С помощью резистора Rи, помимо задания необходимого напряжения смещения, в каскад вводится ООС, способствующая термостабилизации (у ПТ как и у БТ наблюдается сильная температурная зависимость параметров), на частотах сигнала эта ОС устраняется путем включения Cи.

Графически проиллюстрировать работу каскада с ОИ можно, используя проходные и выходные статические характеристики ПТ, путем построения его динамических характеристик. Построение во многом аналогично каскаду с ОЭ и отдельно не рассматривается.