Лекции по "Схемотехнике аналоговых устройств"
Автор: Пользователь скрыл имя, 18 Февраля 2013 в 00:47, курс лекций
Описание работы
1. Принцип электронного усиления и классификация усилителей
2. Основные показатели качества усилительных устройств
3. Анализ работы УК с помощью ВАХ
4. Критерии выбора положения ИРТ
5 Принципы обеспечения заданного положения ИРТ
Работа содержит 45 файлов
1
Генератор стабильного тока, токовое зеркало и их применение в
дифференциальном усилительном каскаде
Генератор стабильного тока (ГСТ) – это схема, обеспечивающая проте-
кание через нагрузку тока, не зависящего от ее сопротивления. Моделью та-
кой схемной конфигурации служит идеальный генератор тока с бесконечным
внутренним сопротивлением R
0
(рис. 1а)
Рис. 1
На практике зачастую ГСТ получают путем соединения источника пита-
ния (источника ЭДС) последовательно с сопротивлением R
0
, много большим
сопротивления нагрузки (рис. 1б). В этом случае
í
0
í
0
E
E
I
R
R
R
−
−
=
≈
+
,
и ток через нагрузку слабо зависит от ее сопротивления. Это соотношение
выполняется тем лучше, чем больше ЭДС источника, что является недостат-
ком такого простейшего схемного построения.
Более широкое применение получили ГСТ, основанные на применении
нелинейных элементов. Рассмотрим, например выходную ВАХ биполярного
транзистора (рис. 1в). Здесь в окрестности исходной рабочей точки при отно-
сительно небольшом напряжении U
кэ0
реализуется динамическое сопротив-
ление участка коллектор-эмиттер
Ýðëè
êý0
êý
êý
êý
ê0
U
U
U
r
I
I
+
∆
=
≈
∆
,
которое может быть сделано относительно большим.
2
Данный принцип генерации стабильного тока иллюстрируется схемой
рис. 2а.
Рис. 2
Собственно ГСТ образован транзистором VT1 и резисторами R1…R3. По
сути – это схема стабилизации положения ИРТ с фиксированным током
эмиттера. Малосигнальное выходное сопротивление ГСТ со стороны нагруз-
ки можно оценить как выходное сопротивление схемы ОЭ
F
при условии, что
в качестве R
F
выступает резистор R3.
21
21
0
âûõÎ Ý
22
22
1
F
F
F
g R
g R
R
R
g
g
+
=
=
≈
.
Если
Ýðëè
0
3
100 Â,
1 ì À,
1000 Î ì
U
I
R
=
=
=
, то
0
3,8 Ì Î ì
R =
.
Расчет требуемых сопротивлений резисторов выполняется аналогично
тому, как это делается для обеспечения положения ИРТ с учетом того, что в
данной схеме использован источник питания с отрицательным напряжением.
2
áý0
1
2
0
RF
F
F
R
E
U
R R
U
I
R
R
−
−
+
=
=≈
.
К недостатку такого построения ГСТ относится зависимость тока I
0
от
напряжения на нагрузке. Фактически – это проявление зависимости
( )
ê
êý
I
f U
=
из-за ненулевого значения g
21
.
Для снижения этого влияния используется схемное построение, анало-
гичное каскодной усилительной схеме (рис. 2б). В этой схеме ГСТ построен
на транзисторе VT2, а транзистор VT1 является повторителем тока. Одновре-
менно VT1 фиксирует напряжение на коллекторе транзистора VT2, снижая
влияние напряжения на нагрузке на ток I
0
.
3
Недостатком обеих конфигураций является зависимость тока от напря-
жения питания. Частично устранить этот недостаток позволяет схема рис. 2в.
В этом случае напряжение на токозадающем резисторе R
2
фиксировано на-
пряжением открытого эмиттерного перехода транзистора VT1, и слабо зави-
сит от напряжения питания.
Во всех рассмотренных схемах необходимо следить за тем, чтобы тран-
зисторы находились в активном режиме (рабочая точка не выходила за пре-
делы пологого участка выходной ВАХ).
В качестве примера на рис. 3 приведено применение ГСТ для задания
эмиттерных токов транзисторов дифференциального усилительного каскада.
На рис. 3а транзисторы VT1 и VT2 – это транзисторы дифференциальной па-
ры, а VT3 совместно с резисторами R1…R3 образует ГСТ. На рис. 3б проде-
монстрировано применение резистора обратной связи R
F
. В этом случае ис-
пользовано 2 ГСТ на транзисторах VT3 и VT4. Особенностью является при-
менение для них общего резистивного делителя R1, R2.
Рис. 3
Другое применение ГСТ – это так называемая динамическая нагрузка.
Для обеспечения работы транзистора в активной области необходимо обес-
печить подучу постоянного напряжения на коллектор транзистора. В то же
время с точки зрения передачи сигнала с коллектора в нагрузку протекание
тока сигнала через цепь питания транзистора нежелательно. Поэтому для пе-
ременного сигнала цепь питания коллектора стремятся сделать с высоким
сопротивлением для переменного сигнала, включая высокоомные резисторы
или дроссели. Для этой же цели в коллекторной цепи можно использовать
ГСТ (рис. 4а).
4
Рис. 4
Принцип работы динамической нагрузки иллюстрирует рис. 4б, где по-
казаны выходные ВАХ усилительного транзистора (VT1) и нагрузочная ли-
ния, фактически являющаяся одной из выходных ВАХ транзистора ГСТ
(VT2). И графика видно, что наклон нагрузочной линии в окрестности ИРТ
мал, что соответствует выходному сопротивлению ГСТ.
Альтернативный путь построения ГСТ – это так называемое токовое
зеркало. Токовое зеркало это схемная конфигурация, обеспечивающая проте-
кание через нагрузку тока, связанного с током в другой, токозадающей ветви.
Название схемы происходит из возможности получения тока в одной ветви
равного току другой ветви.
Базовая схемная конфигурация токового зеркала приведена на рис. 5а.
Рис. 5
Принцип работы этой схемы следующий. Ток I
1
, протекая через транзи-
стор VT1, создает падение напряжения между его базой и эмиттером в соот-
ветствии с соотношением Эберса-Молла.
бэ
э
оэ
,
T
U
mU
I
I e
=
5
где m – коэффициент неидеальности p-n-перехода (m=1 при малых значениях
тока I
к0
, когда I
к
<<I
кmax
, и m=2...5 при значениях токах коллектора, прибли-
жающихся к максимально допустимым I
кmax
); U
T
=kT/q – температурный по-
тенциал; k=1,38∙10
-23
Дж/с – постоянная Больцмана; Т – температура в кель-
винах; q=1,6∙10
-19
К – заряд электрона. При номинальной температуре U
T
=0,026 В.
Это напряжение, будучи приложено к эмиттерному переходу транзисто-
ра VT2 в силу того же соотношения обеспечивает протекание коллекторного
тока I
2
в цепи нагрузки. Если транзисторы одинаковы, то
1
2
I
I
= . Параметр
î ý
I
в уравнении Эберса-Молла пропорционален площади эмиттерного пере-
хода. Значит, выбирая транзисторы с определенным соотношением площадей
эмиттерных переходов, можно добиваться определенных соотношений меж-
ду токами I
1
и I
2
.
На практике в качестве ГСТ токозадающей ветви используется резистор
с большим сопротивлением (рис. 5б). Это решение оправдано при условии,
что
áý0
E
U
−
≫
.
Подключая несколько транзисторов во вторичные ветви (рис. 5в), можно
получить несколько токов, функционально зависящих от одного общего тока.
Это удобно в интегральной микроэлектронике, когда одним внешним эле-
ментом, например резистором, устанавливается режим работы множества
различных каскадов.
При использовании одинаковых транзисторов произвольное соотноше-
ние между токами первичной и вторичной цепей можно получить, устанав-
ливая в эмиттерные цепи транзисторов дополнительные резисторы, как это
показано на рис. 6а или в частном случае на рис. 6б.
6
Рис. 6
Погрешность установки токов в нагрузочной цепи приведенных схем
связана с протеканием токов баз транзисторов. Действительно в схеме рис. 5а
2
ê2
I
I
=
, а
1
ê1
á
2
I
I
I
=
+
. Для снижения этой погрешности используется до-
полнительный транзистор (рис. 6в), который можно рассматривать как уси-
литель тока. В этом случае
1
ê1
á3, á3
á
2
I
I
I
I
I
=
+
≪
.
В схеме на рис. 7а при использовании одинаковых транзисторов выпол-
няются следующие соотношения между токами.
2
ê3
ý3
á3
ê2
á1
á2
á3
I
I
I
I
I
I
I
I
=
=
−
=
+
+
−
,
1
ê1
á3
I
I
I
=
+
.
При условии
á1
á2
á3
I
I
I
=
=
это означает
1
2
I
I
= , то есть полную ком-
пенсацию токов баз.
Рис. 7
На рис. 7б приведен пример применения токового зеркала для обеспече-
ния токов эмиттеров дифференциального каскада.
7
Рис. 8 иллюстрирует работу токового зеркала в качестве динамической
нагрузки.
Рис. 8
Здесь VT3 – это каскад ОЭ, а транзисторы VT1 и VT2 p-n-p-структуры по
схеме токового зеркала являются для него коллекторной нагрузкой.
Информация о работе Лекции по "Схемотехнике аналоговых устройств"