Cтепаненко - Основы микроэлектроники (989594), страница 61

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 61)

9.3, а. Для таких усилителей характерно двуполярное питание, т,е. использование двух источников питания с напряжениями +Е„ и -Е, относительно земли. ьЕ ьЕ„ б) а) Рнс. 9.3. Варианты усилительных каскадов с двуполнрным (а) н однонолярным (б) питанием В принципе можно использовать н однополярное питание (рис. Я.З,б). Однако в таком варианте возникают серьезные затруднения. Во-первых, требуется специальный источник смещения Лы Во-вторых, источник сигнала не имеет заземленной точки, что исключает использование большинства типичных источников сигнала н резко повышает уровень паразнтных паводок (помех) на входе усилителя. Кслн поменять местами источники сигнала в смещения, то высокий уровень помех остается, а реализовать схемным путем незаземленный источник смещения практически невозможно.

Глава 9. Основы аиаяотовой схемотехники 1сВ6+~ +1»В» Е» Подставляя 1в =(1 — а)Х,, легко найти ток эмиттера: о с 1, = В, +(1 — и)Вс (9лйа) Пусть входной сигнал У,„равен нулю. Тогда в схеме протекают постоянные составляющие токов, обусловленные источниками Е„и Е,. Режим отсутствия сигнала принято называть режимом покоя усилителя.

При наличии входного сигнала к постоянным составляющим добавляются переменные составляющие, пропорциональные величине У,„. Таким образом, в рабочем режиме полные величины напряжений и токов можно записать в виде: У =У + ЛУ; 1 =1 + М. Здесь верхний индекс «0» присвоен о . о постоянным составляющим, а переменные составляющие (которые обычно малы по сравнению с постоянными) обозначены как приращения. Как уже отмечалось в разделе 5.б, анализ постоянных и переменных составляющих можно проводить независимо. Рассмотрим постоянные составляющие, свойственные режиму покоя. Положим У„= 0 и изобразим эквивалентную схему усили- Н» теля так, как показано на рис.

9.4. Здесь для транзистора использована упрощенная модель Молла — Эберса, соответствующая нормальному активному режиму (ср. с рис. 5.13), а в цепь базы для общности введено сопротивление В . Оно включает в себя внутреннее сопротивлеРис. 9ли Зквиваяснтная схема ние базы гс, а также сопротивлекаскада дяя постоянных ние источника сигнала или предыдущего каскада. Обойдя входной контур схемы на рис. 9.4, получаем уравне- ние 9.3. Стетвтееквй ремам взоетейшето уевлвтелл Потенциал коллектора имеет вид (9.26) где 1„ = а1, . Величины 1, и У„задаются заранее.

Их совокупность опрео з деляет, как говорят, рабочую точку транзистора в режиме покоя. Напряжение питания Е„обычно тоже задано; тогда из выражения (9.2б) однозначно получается необходимое сопротивление В„. Что касается величин Е, и Я,, то обе они должны быть достаточно большими с тем, чтобы неизбежные изменения параметров а и У не оказывали заметного влияния на ток 1, . Можно з сказать, что выбор значений Е, и Л, определяется желательной стабильностью рабочей точки транзистора при изменениях температуры и других факторов. Сопротивление 1з, выбирают из условия (9.3) ззз ЬЬ (1 С~) ззб' Например, если Вб = 2 кОм и а = 0,99 (т.е.

В = 100), то сопротивление Я, должно быть не менее 200 Ом. Выбрав сопротивление В,, легко найти величину Е, из (9.2а). Может оказаться, что значение Е, недостаточно велико, чтобы в нужной степени предотвратить влияние изменений У*. Тогда нужно увеличить Е, и соответственно В,. Обычно Е,> 2-3 В. Дифференциальные параметры. Сигнал У,„вызывает изменения потенциалов и токов в схеме, т.е. зпорождаетэ переменные составляющие. Чтобы найти эти составляющие, воспользуемся малосигнальной моделью транзистора (рис. 5.16). Ограничиваясь пока областью достаточно низких частот, будем считать а действительной величиной и пренебрежем коллекторной емкостью.

Пренебрежем также сопротивлением коллекторного перехода г„: его учет не вносит существенных поправок в результаты анализа. Тогда эквивалентная схема каскада будет такой, как показано на рис. 9.5. Здесь учтено внутреннее сопротивление источника сигнала В„, а величины токов и напряжений записаны без знака Л. Из рис. 9.5 следует: гзэх = 16(хзг + Гб) + 1з(хзэ + Гз )" Глава 9. Основы аванесовой схемотехники Подставляя 1б =(1 — а)1„легко найти ток эмиттера: (9.4) В, + г, +(1 — а)(В„~-гб) Е„ Учитывая условие (9.3), можт "« 3 но без большой погрешности положить 1, = Ув„/В,.

Зная ток 1„ л , '~ легко определить все другие токи ! 'г и напряжения в схеме. Коэффициенты (размерные и 2 безразмерные), связывающие пе- ременные составляющие между Рнс. 9.3. Малосигнальная вквивалентная схема каскада в области собой и с входным сигналом, называют дифференциальными ла раметрами усилителя. Главный из этих параметров — коэффициент усиления— определяется как отношение выходного и входного сигналов: У»ых/Уех Выходным сигналом принято считать переменную составляющую коллекторного напряжения ЛУ„(поэтому на рис. 9.3 потенциал коллектора записан как У, + У,„„).

Из рис. 9.5 следу- е ет: У,„„= — а 1, В,. Подставляя ток 1, из (9.4) и деля обе части на У,„, находим коэффициент усиления в общем виде: К аВ„ В, + г, + (1 — а)(В, + гб) (9.5а) Пренебрегая согласно (9.3) двумя последними членами в знаменателе, получаем простое выражение, вполне пригодное для всех практических расчетов: (9.5б) К = — а (В /В ). Знак «минус» свидетельствует о различии полярностей выходного и входного сигналов илн (при синусоидальном сигнале) — о сдвиге фаз выходного и входного сигналов на 180«.

Из выражения (9.55) следует, что сопротивление В„желательно делать большим, а сопротивление Х, малым. Однако в реальной схеме сопротивление В„определяется напряжением 343 9.3. Стятвтвсклй рожам лростойжсго усилителя питания и рабочей точкой транзистора (см. (9.2б)), а сопротивление В, должно удовлетворять условию стабильности (9.3). Поэтому практически коэффициент усиления в рассматриваемом каскаде не превышает значений 4 — 5. Ограниченность коэффициента усилении становится особенно очевидной, если преобразовать выражение (9.5а), подставив в него значеннл В„н В, из (9.2). Тогда, полагая г, «В„получки: (Ев — ('к)/(Еэ (У*) Пусть, например, Е„= 12 В, Е, = 3 В и У„= 2 В; при этом получается К = 4,5. Полезно заметить, что коэффициент усиления не зависит от рабочих токов н что при равенстве напряжений питания Е„и Е, он делается близким к единице.

Если на выходе усилителя включена внешняя нагрузка В„ (на рис. 9.5 показана штриховой линией), то в формулах (9.5) нужно заменить В„на эквивалентное сопротивление В„'б В„, где ( — символ параллельного соединения. Следующий важный параметр усилителя — входное сокро тивление — определяется выражением Ввх ('вх )1вх где 1 — переменная составляющая базового тока, а напряжение Увв считается приложенным непосредственно к базе. Значит, при расчете входного сопротивления нужно полагать В„= О. По отношению к источнику сигнала входное сопротивление играет роль нагрузки.

Поэтому чем оно больше, тем меньше нагружен источник сигнала и тем лучше передается его напряжение на вход каскада. Из рис. 9.5, полагая В„ = О, получаем: ~вх 1бтб + 1в (Вэ + Га) ПоДставлЯЯ 1, = (() + 1) 1б и ДелЯ обе части на 1б = 1мн находим входное сопротивление в общем виде: (9.7а) Вв„= гб + (р + 1) (Ва + г,).

Практически сопротивлениями гб и г, моясно пренебречь. Тогда (9.7б) В „м ()) + 1) В,. Глава 9. Основав аналоговой ехемотехнннн Например, если 8 = 100 и В, = 2 кОм, то В,„= 200 кОм. Заметим, что с ростом сопротивления В, входное сопротивление не может возрастать неограниченно, как следует из формул (9.7). О причинах ограничения говорится в разделе 9.4. Третий важный параметр усилителя — выходное сопротивление — определяется выражением Ввых (~выл)ххг (1вых)к* где (гг',ы„)„„— выходное напряжение при холостом ходе каскада (т.е. в отсутствие внешней нагрузки В„), а (1в„„)„, — выходной ток при коротком замыкании выходных зажимов (имеется в виду короткое замыкание для переменных составляющих).

Выходное сопротивление характеризует нагрузочную способность каскада: чем оно меньше, тем больший ток можно отбирать во внешнюю нагрузку и тем меньше может быть внешнее сопротивление. По физическому смыслу выходное сопротивление схемы— это дифференциальное сопротивление, которое можно измерить со стороны выходных зажимов в отсутствие входного сигнала (У,„= О) и при отключенной внешней нагрузке (В„= ое). В таких же условиях осуществляют и теоретический расчет величины В, Для схемы„показанной на рис 9.5,нет необходимости проводить специальные расчеты. Поскольку входная часть схемы отделена от выхода генератором тока и поскольку этот генератор при У,„ = 0 бездействует, можно сразу записать: (9.8) Ввых Вн. Учет сопротивления коллекторного перехода (т.е.

внутреннего сопротивления генератора тока) не оказывает никакого практического влияния на полученный результат. Дрейф постоянных составляющих. В режиме покоя (при У,„= О) токи и напряжения усилителя могут меняться под действием изменений температуры, напряжений питания или других факторов. Получающиеся при этом медленные неконтролируемые приращения токов и напряжений называют дрейфом постоянных составляющих. 343 В.З.

Сто»несений режим нрестейшете усилители Если входной сигнал меняется достаточно быстро (с достаточно высокой частотой), то отличить его от дрейфа не представляет труда. Однако в усилителях постоянного тока, характеризующихся медленными изменениями сигнала, дрейф (т.е. паразитные приращения) в общем случае неотличим от приращений, вызванных полезным сигналом. Следовательно, величина дрейфа ставит предел чувствительности усилителя постоянного тока — его способности усиливать слабые сигналы.

Поскольку в микроэлектронике усилители постоянного тока занимают ведущее место, проблема дрейфа приобретает особую остроту. Пусть в результате неконтролируемых процессов получились приращения напряжений ЛЕ, и ЛЕ„а также параметров транзистора ЛУ" и Ла. Тогда из (9,2б) следует, что коллекторный потенциал ЕЕ„получит приращение ЛУ = ЛЕ„+ ЛЕ„Ви [знак «плюс» объясняется тем, что приращения АЕ„и ЛЕ„В„нео зависимы — неноррелироване«и потому в худшем случае могут складываться).

Приращение коллекторного тока можно записать, учитывая соотношение 1„= а1,: о АЕо = ЛаЕо + аЛЕ,. Наконец, приращение эмиттерного тока можно получить из (9.2а): о ЛЕ» +Л~Е* + ЛаЕ»~б ЛЕ Е'» + ( а)~б Производя подстановки и деля ЛУ„на коэффициент усилео ния в форме (9.5а), получаем напряжение, которое называют приведенным дрейфом Приведенный дрейф удобен для оценки минимального входного сигнала, еще различимого на фоне дрейфа.

Характеристики

Список файлов книги