Каскады предварительного усиления

Как уже отмечалось ранее, необходимый коэффициент усиления распределяется между каскадами. В зависимости от требуемого коэффициента усиления, входного и выходного сопротивлений, схемотехника каскадов будет различаться. Наиболее простым случаем является применение каскада общий эмиттер (ОЭ) (рис. 6.1).

Рис. 1. Каскад общий эмиттер на биполярном транзисторе

Существует три основные схемы включения транзистора, подразделяющиеся по электроду, являющемуся общим как для входной, так и для выходной цепей. На рис. 6.1 входной сигнал прикладывается между базой и эмиттером, а выходной сигнал снимается с коллектора относительно эмиттера, что указывает на характерный признак схемы ОЭ. Рассмотрим работу схемы. Если входное напряжение на генераторе от 0,6 В, которое обеспечивает некий ток покоя, повысить на малую величину (ввиду большой величины дифференциального сопротивления), то можно сказать, что ток коллектора зависит только от напряжения и не зависит от напряжения. Увеличение тока коллектора составит. Ток коллектора от источника питания протекает через коллекторное сопротивление, и его увеличение приведет к увеличению падения напряжения на,. Коэффициент усиления по напряжению, который обеспечивает схема:

. (6.1).

Для наиболее точного определения коэффициента усиления необходимо учитывать, что внутреннее сопротивление транзистора, и сопротивление нагрузки для переменного тока сигнала подключены параллельно, поэтому выражение для расчета преобразуется:

. (6.2).

Подключение источника сигнала к входу каскада с сопротивлением приводит к падению напряжения на внутреннем сопротивлении источника сигнала. Сопротивление генератора и входное сопротивление каскада образуют делитель напряжения. Величина сигнала на базе транзистора:

. (6.3).

Входное сопротивление определяется выражением:

. (6.4).

Как видно из выражения (6.4), ток коллектора обратно пропорционален величине входного сопротивления.

Выходное сопротивление, согласно схеме на рис. 6.1, может быть определено как ток сопротивление транзистор схемотехника.

. (6.5).

Часто для уменьшения нелинейных искажений каскада и температурного дрейфа каскада применяется местная обратная связь. Рассмотрим влияние местной обратной связи по току на каскад ОЭ (рис. 6.2).

Рис. 2. Каскад ОЭ с местной ООС по току

В схеме на рис. 6.2 ООС реализована введением в цепь эмиттера сопротивления. Резистивная цепочка, является делителем напряжения и служит для фиксации напряжения на базе транзистора, т. е. устанавливает рабочую точку на ВАХ усилительного прибора. Конденсатор является шунтирующим по переменному току для, т. е. исключает влияние ООС на частотах сигнала (при условии на нижней частоте диапазона усиливаемых частот).

Рассмотрим принцип работы местной ООС на примере температурной стабилизации. С увеличением температуры базоэмиттерная разность потенциалов, необходимая для открывания транзистора, уменьшается (эквивалентно уменьшению сопротивления). Это приводит к увеличению токов базы и коллектора, что обусловлено зафиксированным напряжением на базе с помощью цепочки ,. Возрастание тока коллектора приводит к увеличению падения напряжения на сопротивлении, поскольку. Увеличение приводит к уменьшению, т. е. к закрыванию транзистора и компенсации увеличения тока коллектора, обусловленного тепловым дрейфом.

В случае отсутствия шунтирующей ёмкости местная ООС будет оказывать влияние на, , .

Входное сопротивление определяется:

. (6.6).

Выходное сопротивление:

. (6.7).

Коэффициент усиления:

(6.8).

где .

На рис. 6.3 изображена схема усилительного каскада с общей базой.

Рис. 3. Каскад ОБ

Как и для схемы ОЭ, входными электродами являются база и эмиттер транзистора, что указывает на одинаковый коэффициент усиления по напряжению, однако фаза сигнала не инвертируется. Ввиду нагрузки источника тока не входным базовым, как в каскаде ОЭ, а входным эмиттерным током, входное сопротивление каскада ОБ в раз меньше, чем у схемы ОЭ.

(6.9).

при.

(6.10).

Выходное сопротивление.

(6.11).

при выражение преобразуется к выходному сопротивлению ОЭ.

Коэффициент усиления по току не превышает единицы ввиду того, что выходной ток меньше, чем входной на величину базового тока.

Схема каскада общий коллектор показана на рис. 6.4. Если приложить некое напряжение В, то начинает протекать коллекторный ток, который вызывает падение напряжения на сопротивлении. Причем выходное напряжение начинает возрастать с момента, когда напряжение превысит 0,6 В, т. е. выходное напряжение повторяет входное с отставанием 0,6 В. Входное сопротивление схемы ОК рассчитывается по аналогии со схемой ОЭ с отрицательной обратной связью по току. Выходное сопротивление схемы ОК можно рассчитать из выражения:

. (6.12).

Рис. 4. Каскад общий коллектор

Часто коэффициент усиления, реализуемый схемой ОЭ в стандартном виде, оказывается недостаточным. Исходя из выражения, определяющего, для повышения коэффициента усиления по напряжению возможно увеличить сопротивление нагрузки, сопротивление и сопротивление, однако уменьшение тока коллектора приводит к уменьшению крутизны, кроме того уменьшается нагрузочная способность каскада и помехозащищенность каскада. Одним из решений для увеличения без уменьшения тока коллектора является применение ИТ в качестве коллекторной нагрузки, что приводит к существенному увеличению сопротивления без уменьшения величины протекающего тока.

Недостаток схемы ОБ — малое входное сопротивление может быть устранено применением каскодной схемы (рис. 6.5).

Рис. 5. Каскодная схема

Входной транзистор включен по схеме ОЭ, выходной — по схеме ОБ. Транзистор обладает малым входным сопротивлением (), из чего следует, что коэффициент усиления по напряжению у входного каскада стремится к единице, значит, эффект Миллера отсутствует. Учитывая равенство коллекторных токов у транзисторов схемы, общий коэффициент усиления составляет:

(6.13).

что характерно для обычного каскада ОЭ. Транзистор не влияет на граничную частоту крутизны каскада, поскольку вследствие включения по схеме ОБ ему присуща высокая граничная частота.

Схема дифференциального каскада показана на рис. 6.6.

Рис. 6. Дифференциальный каскад

Дифференциальный усилитель — это усилитель постоянного напряжения с двумя входами и двумя выходами. В общую эмиттерную цепь подключен источник стабильного тока, обеспечивающий постоянство суммы эмиттерных токов транзисторов и. При отсутствии сигнала ток ИТ равномерно распределяется между плечами каскада, т. е.. Это распределение токов не изменится, если напряжения каждого из транзисторов увеличатся на одинаковую величину. Поскольку коллекторные токи транзисторов останутся равными, постоянна и разность выходных напряжений, что свидетельствует о нулевом коэффициенте усиления синфазного сигнала. Точная величина коэффициента усиления зависит от величины сопротивления ИТ:

. (6.14).

В случае неравенства входных напряжений, например, ток источника тока перераспределяется между плечами дифференциального каскада, что приводит к увеличению падения напряжения на и уменьшению на, т. е. напряжение на выходе первого плеча уменьшается, на выходе второго плеча увеличивается, что говорит о наличии коэффициента усиления дифференциального сигнала:

. (6.15).

. (6.16).

Коэффициент показывает, что входной сигнал распределяется между плечами дифференциального каскада и вызывает одинаковые по величине, но противоположные по знаку приращения напряжений на коллекторных сопротивлениях плеч, т. е. можно сказать, что эквивалентно каскада ОЭ, на входные клеммы которого подается сигнал, меньший по амплитуде в два раза, что вызывает меньшее приращение напряжения на коллекторном сопротивлении. Знак минус указывает, что фаза сигнала в случае, когда входной сигнал приложен к входу того же плеча, с которого снимается выходной сигнал (как в схеме с ОЭ), инвертируется. Входное сопротивление для дифференциального и синфазного сигналов равно:

. (6.17).

. (6.18).

Изменение напряжения под действием температуры эквивалентно синфазному сигналу, поскольку воздействует в одинаковой степени на оба плеча каскада и, следовательно, не вызывает изменения коллекторных токов транзисторов. Это указывает на температурную стабильность каскада.

Для увеличения коэффициента усиления дифференциального каскада, как и в случае каскада ОЭ, возможно использовать в качестве коллекторных нагрузок токовые зеркала. Увеличение входного сопротивления может быть достигнуто применением составных транзисторов для построения дифференциальных каскадов.