Cтепаненко - Основы микроэлектроники (989594), страница 67

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

Текст из файла (страница 67)

Однако с ростом В, необходимо увеличивать напряжение питания Е, с тем, чтобы сохранить желательное значение тока покоя 1, (см. (9.2а)). Позтому такой путь повышения входного сопротивления ограничен. На практике для повышения В,„используют либо источник тока в эмиттерной цепи, либо составной транзистор. Глава В. О«новы вквлоговоа охоиотехкккк учитывалось, так как в обычных усилителях его роль не существенна.

Однако в данном случае, когда цепь эмиттера «оборвана» для переменных составляющих тока (поскольку ток эмиттера жестко задан), сопротивление гк является единственным элементом, через который может протекать входной ток. Следовательно„максимальное значение входного сопротивления повторителя (и любого другого усилителя) (9.62) Ввх маке гк При токе 1, = 1 мА значения гк составляют 2 — 3 МОм.

С уменьшением тока сопротивление гк возрастает [см. (5.44)], но предел ставится поверхностньпви утечками коллекторного перехода. При конечном сопротивлении источника тока В, входное сопротивление повторителя будет меньше гк. Его можно оценить как параллельное соединение величин г„и ([) + 1)В,. На рис 9.15,б показан повторитель„выполненный на паре Дарлингтона (см. рис.

9.1, а). Как известно, составному транзистору свойственны весьма большие значения коэффициента усиления: () ор13з [см. (9.1)]. Поэтому согласно (9.61) в повторителе по схеме Дарлингтона легко получить большое входное сопротивление при сравнительно малом сопротивлении В,. Например, если В, = 2 кОм и Р = 2000, то расчетное значение В,„= 4 МОм. Реальное значение В,х, как и в предыдущей схеме, ограничено сопротивлением гк [см. (9.62)]. Выходное сопротивление. Выходное сопротивление повторителя можно найти из общего определения, приведенного в равд.

9.3. Положим сначала В„= ее (рис. 9.14), тогда (~вых)хх К~вх где К вЂ” коэффициент усиления (9.60). Затем положим В„= О, т.е. закоротим сопротивление В,. Тогда ~вх (1»ых)кв = , +(1- )(В„+ ) [ем., например, (9.4)]. Деля напряжение холостого хода на ток короткого замыкания и подставляя значение К, нетрудно представить выходное сопротивление в следующем виде: В, = В, ] [г, + (1 — а) (В„+ гз)]. (9.63а) 9.7.

Эмпттериые повторители 377 Внешняя составляющая В, обычно мало существенна. Также мало существенна и составляющая ( 1 — а) гб по сравнению с г,. Поэтому в реальных схемах повторителей можно пользоваться упрощенным выражением 1 бе 1 (9.636) Как видим, в общем случае выходное сопротивление зависит от сопротивления источника входного сигнала. Однако при достаточно больших значениях 6 (например, при использовании пары Дарлингтона) вторым слагаемым в (9.636) можно пренебречь. Тогда выходное сопротивление минимально и определяется только сопротивлением змиттерного перехода: (9.64) Виых мин га Ркс.

9.16. Повторитель е качестве буферного каскада Пусть имеются источник сигнала Е, с сопротивлением В„н нагрузка с сопротивлением В„,причем В„» В„. Тогда, подключая нагрузку непосредственно к источнику Е„, получим очень малый коеффицнент передачи напряжения: (У В аых и .< Е„ В„ е В Легко заметить, что отношение входного и выходного сопротивлений у повторителя несравненно больше, чем у простейшего усилительного каскада и у ДУ, у которых это отношение не превышает величины р + 1.

Отношение максимального входного сопротивления (9.62) к минимальному выходному (9.64) составляет г„/г, (обычно более 50000). Это отношение не зависит от рабочего тока, поскольку и г„, и г, обратно пропорциональны току. В связи с большим различием входного и выходного сопротивлений повторитель широко используют в качестве буфер- -С. )- ного каскада — так называемого трансформатора солро- ке аик тивлений. Эта функция повторителя проиллюстрирована на рис. 9.16. Глава 9. Освовы аналоговой схемотехвякя Если же между источником Е„и нагрузкой включить буферный повторитель (рис. 9.16) и если при этом выполняются характерные для повторителя соотношения В,„» В„и В „„«В„, то коэффициент передачи напряжения будет близок к единице. Таким образом, использование повторителя позволяет как бы искусственно уменьшить сопротивление источника сигнала или увеличить сопротивление нагрузки, откуда и термин — «трансформатор сопротивлений».

Б частности, используя буферные повторители, можно уменьшить сопротивление В„на входе дифференциального усилителя и тем самым повысить его быстродействие (см. равд. 9.6). Буферные повторители находят также широкое применение в случае емкостной нагрузки (кабели, длинные провода, развитая сеть металлической разводки в ИС).

На достаточно высоких частотах сопротивление такой нагрузки оказывается малым, и ее непосредственное подключение к высокоомному источнику сигнала приводит к снижению коэффициента передачи, как показано выше. Буферный повторитель позволяет улучшить передачу сигнала на высоких частотах и расширить полосу усиливаемых частот. Переходные процессы. Эквивалентная схема для анализа переходных процессов показана на рис. 9.17. Формальный анализ этой схемы несложен, но приводит к громоздким и мало наглядным выражениям.

Поэтому полезнее рассмотреть особенности переходного процесса и привести приближенные расчетные формулы. Пренебрежем сначала емкостями С„и С„и поРис. 9.1т. зквввазеятяая схема повто- дадим на вход ступенчатый рятеяя дяя области малых времен снтпая У . ПОСКОЛЬКУ В ПЕр- вх' вый момент коллекторный ток не меняется (т.е.

генератор тока бездействует), схема превращается в пассивную резисторную цепочку. Отсюда следует, что первое время после подачи сигнала усиление мощности отсутствует. 9.7. Эмвттервме похторвтехи Начальные значения токов и выходного напряжения имеют вид: Еах(0) = Еб(0) = 1а(0) = "; (9 бба) ЕЕах Вг +Гб +та еВэ Вэ эЕвых(0) = Еа(0)Вэ = эЕах (9 656) Вг+гб+г +В, Соответственно начальный коэффициент передачи (9.66) Еэ(0) ВаЕ(Вэ + гэ + Гб + Вг) В дальнейшем, под действием скачка 1,(0), ток коллектора начинает возрастать. Приращения тока 1„распределяются между эмиттерной и базовой цепями обратно пропорционально их сопротивлениям.

Если сопротивление источника сигнала достаточно мало (В, «В,), то приращения бЕ„практически полностью идут в базовую цепь. При этом ток эмиттера, а значит, и выходное напряжение почти не меняются и остаются близкими к начальным значениям (см. сплошные линии на рис. 9.18, а). Соответственно длительность фронта г „отсчитанная на уровнях 0,1 — 0,9 от установившегося значения, оказывается равной нулю, т.е. фронт формируется мгновенно.

Что касается коллекторной и базовой цепей, то в них переходные процессы выражены достаточно ярко: ток коллектора возрастает от нуля до установившегося значения аЕы а ток базы падает от начального значения 1, до (1 — а)1,. Как видим, отношение токов 1, и 1 возрастает, т.е. через некоторое время повторитель начинает усиливать мощность. Поскольку эмиттерный ток остается почти постоянным, коллекторный и базовый токи меняются с постоянной времени т„. Если условие Вг «В, не выполняется, то переходный процесс претерпевает некоторые изменения (см. штриховые кривые на рис.

9.18, а). А именно, начальные скачки эмиттерного тока и выходного напряжения уменьшаются, а последующие приращения коллекторного тока ответвляются не только в цепь базы, но в значительной мере и в цепь эмиттера. Соответственно ток 1, и напряжение У,ых заметно возрастают во время переходного процесса. В этом случае, как видно из рисунка, 380 Глава 9.

Основы аналоговой схемотехники длительность фронта т з имеет конечное значение. Постоянная времени, с которой меняются коллекторный ток и другие величины, определяется выражением (9.13). Однако в нем следует заменить величину т„„на т„поскольку в начале анализа мы пренебрегли емкостью С,. Таким образом, (9.67) т, =т„(1 — ау,). Обычно величина т, не превышает (2 — б) т,. тс Л б) а) Рис. 9.18. Переходные процессы в повторителе бее учета (а) и с учетом (б) коллекторной емкости Теперь учтем емкость С„, но сначала положим т„= О, т.е.

пренебрежем инерционностью процессов в базе. Тогда при поступлении ступенчатого входного сигнала входной ток в первый момент полностью протекает через емкость, а токи транзистора и выходное напряжение не меняются. По мере заряда емкости токи транзистора и выходное напряжение плавно возрастают до установившихся значений (см. сплошные кривые на рис.

9.18, б). 9.7. Эмиттервме повторители Постоянная времени этого переходного процесса определяется емкостью С„и шунтирующими ее сопротивлениями (см. рис. 9.17): тс Ск((1'г+ гб) з (э»э + гэ)з (9.68) Фронты импульсов будут зкспоненциальными; их длительность на уровне 0,1 — 0,9 от установившегося значения составит: гф = 2,2т,. (9.69) Типичными значениями постоянной времени являются т, =0,5 — 1 нс. В случае идеального источника сигнала (В„= О) постоянная времени практически совпадает с постоянной времени базы (5.67): т, = С„гз. Значения этой величины лежат в пределах 0,1 — 0,2 нс и менее.

Начальньгй»пик» входного тока (рнс. 9.18, б) намного превышает установившееся значение тока базы. Действительно, в первый момент напряжение на емкости С„не меняется, а значит, начальный входной ток определяется входным напряжением и сопротивлением в цепи базы: 1,„(0) = У,„1(В„+ г). Например, если У,„= 0,1 В и В„т г = 1 кОм, то 1,„(0) = 0,1 мА, тогда как в установившемся режиме, при и,„= 100 кОм, получаем 1,„=- 1 мкА — значение, в 100 раз меньшее. Покажем теперь, что формула (9.69) пригодна для приблизительной оценки длительности фронта с учетом обоих инерционных факторов: коллекторной емкости и времени пролета носителей в базе.

Характеристики

Список файлов книги