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.

---

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.

Нетрудно показать, что каскад с ОИ, как и каскад с ОЭ, инвертирует входной сигнал.

На рисунке 2.31 а,б,в приведены, соответственно, малосигнальные схемы для областей СЧ,НЧ, и ВЧ.

Рисунок 2.31. Схемы каскада с ОИ для СЧ, ВЧ и НЧ

Для расчета параметров усилительного каскада по переменному току удобно использовать методику, описанную в разделе 2.3, а ПТ представить моделью, предложенной в разделе 2.4.2.

 В результате расчета в области СЧ получим:

K0 = S0Rэкв,

где Rэкв= Rс∥Rн;

gвх ≈ 1/Rз,

gвых ≈ gс = 1/Rз.

Эти соотношения получены в предположении, что низкочастотное значение внутренней проводимости транзистора g22э много меньше gс и gн. Это условие (если не будет оговорено особо) будет действовать и при дальнейшем анализе усилительных каскадов на ПТ.

В области ВЧ получим:

,

где τв — постоянная времени каскада в области ВЧ, τв≈CнRэкв;

где Cвхдин = Cзи + Cзс(1 + K0);

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.

2.10. Термостабилизация режима каскада на ПТ

 Различают, по крайней мере, шесть типов ПТ, показанные на рисунке 2.32.

Рисунок 2.32. Основные типы ПТ

Проходные характеристики n-канальных ПТ в режиме обогащения, смешанном и обеднения приведены, соответственно на рисунке 2.33 а,б,в, для p-канальных ПТ они будут отличаться противоположной полярностью питающих напряжений.

Рисунок 2.33. Проходные характеристики ПТ

С помощью рассмотренной схемы автосмещения (рисунок 2.29) возможно обеспечение требуемого режима по постоянному току для ПТ, имеющих проходную характеристику, изображенную на рисунке 2.33а, и — (при отрицательном смещении) — на рисунке 2.33б. Более универсальной схемой питания ПТ является схема с делителем в цепи затвора (рисунок 2.34), способная обеспечить любую полярность напряжения смещения Uзи0.

Рисунок 2.34. Схема питания ПТ с делителем в цепи затвора

В [1] приведен ряд полезных практических соотношений:

где соответствующие токи показаны на рисунке 2.33, а Sси — крутизна при токе стока равном Iси.

В ПТ температурная нестабильность тока стока обусловлена следующими факторами (при росте температуры):

◆ увеличением тока стока за счет теплового смещения проходных характеристик (как и в БТ) при малых значениях тока покоя стока Iс0;

◆ уменьшением тока стока за счет удельного сопротивления канала в широком диапазоне изменения тока покоя стока Iс0.

Следовательно, у некоторых типов ПТ возможно существование термостабильной точки покоя (рисунок 2.35).

Рисунок 2.35. Температурная зависимость тока стока

Координаты термостабильной точки и соответствующую им крутизну можно приближенно оценить по следующим соотношениям [1]:

UзT ≈ Uотс – 0,63 В;

IсT = 0,4·Iси/U²отс ≈ (0,1…0,6) мА;

S0T ≈ IсT/0,32.

Поскольку ток IсT относительно мал, можно сделать вывод, что широком диапазоне изменений тока стока последний уменьшается с ростом температуры.

 Рассмотренные основные схемы питания ПТ осуществляют термостабилизацию режима за счет ООС (последовательной по постоянному току) аналогично каскаду на БТ, т.е. уход тока стока уменьшается в (1 + S0Rи) раз. Собственно ΔIс0 определяется по справочным данным, составляющую теплового смещения проходных характеристик можно определить по аналогии с БТ. Отрицательная температурная зависимость тока стока ПТ может быть использована в целях термокомпенсации каскадов на БТ.

2.11. Усилительный каскад на полевом транзисторе с ОС

 Вариант схемы каскада с ОС с автосмещением приведен на рисунке 2.36, схемы для областей СЧ,ВЧ и НЧ приведены, соответственно, на рисунках 2.37а,б,в.

Рисунок 2.36. Усилительный каскад с ОС

Рисунок 2.37. Схемы каскада с ОС для СЧ, ВЧ и НЧ

Каскад с ОС называют еще "истоковым повторителем" или "повторителем напряжения, т.к., аналогично каскаду с ОК, можно показать, что коэффициент передачи по напряжению этого каскада меньше единицы, и что каскад с ОС не инвертирует фазу входного сигнала.

Графический анализ работы усилительного каскада с ОС проводится как для ОЭ (см. раздел 2.5).

Для расчета параметров каскада с ОС по переменному току используем методику раздела 2.3, а ПТ представлять моделью предложенной в разделе 2.4.2.

 Проведя анализ, получим для области СЧ:

,

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

Rвх ≈ Rз,

Rвых = Rи ∥ Rвых T,

где Rвых T — выходное сопротивление собственно транзистора, Rвых T ≈ 1/S0.

В целом

Rвых T ≈ 1/S0,

потому, что, как правило, Rи >> 1/S0.

В области ВЧ получим:

где τв  — постоянная времени каскада в области ВЧ, определяемая аналогично ОИ;

Yвх ≈ 1/Rз + jωCвх дин,

где Cвх дин = Cзи + Cн·(K0 + 1);

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 ОИ.

Усилительный каскад с ОЗ (рисунок 2.38) на практике используется редко, поэтому отдельно рассматриваться не будет. Отметим только, входное сопротивление каскада определяется аналогично выходному для истокового повторителя (≈1/S0), а остальные параметры — аналогично ОИ.

Рисунок 2.38. Усилительный каскад с ОЭ

Характеристики ПТ при различных схемах включения приведены в таблице 2.2.

Таблица 2.2

Характеристики ПТ при различных схемах включения

Параметр Схема ОИ ОЗ ОС Rвх Единицы МОм Единицы, десятки Ом Единицы МОм Rвых Единицы кОм Единицы кОм Единицы, десятки Ом KU >>1 >>1 <1 KI — ≅1 —

2.12. Временные характеристики усилительных каскадов