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
Схемотехника оконечных каскадов усиления
В данном разделе рассмотрим некоторый калейдоскоп схем выходных
каскадов и их связи с предоконечными каскадами.
В выходных каскадах иногда затруднительно применять схему стабили-
зации положения ИРТ с фиксированным током эмиттера, поскольку протека-
ние большого эмиттерного тока через токозадающий эмиттерный резистор
создает большие потери мощности источника питания.
В простейшем случае можно использовать резистивный делитель в цепи
базы (рис. 1а).
Рис. 1
Как было показано ранее, такое построение схемы не обеспечивает тем-
пературной стабильности положения ИРТ. Для повышения температурной
стабильности иногда используется отрицательная обратная связь по постоян-
ному току (рис. 1б), эквивалентная схема на постоянном токе для которой
приведена на рис. 1в.
К сожалению, протекание коллекторного тока через резистор R
к
создает
потери мощности тем большие, чем больше глубина обратной связи, т. е. чем
больше температурная стабильность.
Для снижения этих потерь сопротивление коллекторного резистора
уменьшают, а глубина обратной связи увеличивается введением дополни-
тельного маломощного усилителя постоянного тока в петлю регулирования
тока (рис. 2а).
Рис. 2
Здесь опорное напряжение дифференциального усилителя относительно
напряжения питания, формируемое резистивным делителем напряжения, оп-
ределяет падение напряжения на R
к
, а следовательно и коллекторный ток.
Это обеспечивается петлей отрицательной обратной связи, которая создает
такое напряжение на базе транзистора, чтобы напряжение между входами
дифференциального усилителя было близко к нулю, причем делает это тем
лучше, чем больше коэффициент петлевой передачи.
В качестве дифференциального усилителя с большим коэффициентом
усиления можно использовать операционный усилитель или схемы на дис-
кретных компонентах, пример которой приведен на рис. 2б. В последней
схеме дифференциальный усилитель образован парой транзисторов VT2,
VT3, а транзисторы VT4, VT5 представляют собой токовое зеркало для соз-
дания высокостабильного тока эмиттеров транзисторов дифференциального
каскада.
Двухтактные каскады могут строиться по схемам ОЭ или ОК. Если
транзисторы включаются по схемам ОЭ, то наиболее просто двухтактные
схемы формируются с помощью трансформаторов (рис. 3а), причем от вели-
чины начального смещения зависит класс работы транзисторов "А", "В" или
"АВ". Наиболее простая схема получается при нулевом смещении, в этом
случае транзисторы работают в классе "С" (рис. 3б).
Рис. 3
При включении транзисторов по схеме ОК целесообразно использовать
транзисторы противоположного типа проводимости. Для обеспечения работы
в классе "С" смещение может отсутствовать, и схема выходного каскада ока-
зывается предельно простой (рис. 4а).
Рис. 4
Для обеспечения работы в классе "В" к базам транзисторов следует при-
ложить напряжение, равное порогу открывания, т. е. напряжение прямо сме-
щенного p-n-перехода. Наиболее просто это можно сделать с помощью от-
крытых диодов по схеме, изображенной на рис. 4б. В этой схеме резисторы
обеспечивают протекание через диоды прямого тока. Если требуется мень-
шее открывающее напряжение, то можно использовать один диод или тран-
зисторный 2-полюсник по схеме рис. 4в.
На рис. 5 для рассмотренных схем выходных каскадов представлены ва-
рианты связи с предоконечными каскадами.
Рис. 5
Во 1 и 3 схемах предоконечный каскад работает в схеме ОЭ, причем в
схеме рис. 5в нагрузкой его помимо входа оконечного каскада является гене-
ратор стабильного тока на транзисторе VT. Такое построение повышает ко-
эффициент усиления предоконечного каскада.
Для линеаризации оконечного усилителя его охватывают петлями мест-
ной (охватывающей один каскад) или общей (охватывающей несколько кас-
кадов, включая предварительные) отрицательной обратной связи.
На рис. 6 приведен пример схемы усилителя, охваченного петлей общей
обратной связи.
Рис. 6
В этой схеме транзисторы VT1, VT2 образуют дифференциальный уси-
лительный каскад, в эмиттерной цепи которого установлен генератор стаб-
лильного тока на транзисторе VT3. С выхода входного дифференциального
усилителя сигнал поступает на каскад промежуточного усиления (транзистор
VT4, включенный по схеме ОЭ). Для повышения коэффициента усиления в
коллекторной цепи этого транзистора установлен генератор стабильного тока
на транзисторе VT5. Оконечный каскад выполнен по двухтактной схеме на
транзисторах VT7, VT8 с противоположным типом проводимости, включен-
ных по схеме ОК. Эти транзисторы работают с небольшими открывающими
напряжениями на базах, меньшими порога открывания, т. е. в классе "С". От-
крывающие напряжения формируются транзисторным 2-полюсником на
транзисторе VT6. Для снижения нелинейных искажений, вносимых транзи-
сторами, работающими в классе "С", используется глубокая общая обратная
связь, которая связывает выход усилителя с одним из входов входного диф-
ференциального каскада. Легко убедиться, что по отношению к сигналу об-
ратной связи усилитель в целом является инвертирующим, т. е. обратная
связь отрицательна.
В схеме использовано двуполярное питание, поэтому разделительные
конденсаторы в цепи источника сигнала и нагрузки не установлены.
Особенностью оконченных каскадов является то обстоятельство, что на
транзисторах может выделяться значительная мощность, приводящая к на-
греву кристаллов. Опасность этого явления заключается в образовании по-
ложительной тепловой обратной связи. Действительно, пусть на базе транзи-
стора имеется начальное открывающее напряжение, и через транзистор про-
текает некоторый начальный коллекторный ток. Вследствие нагрева транзи-
стора входная ВАХ транзистора смещается влево, что приведет к увеличе-
нию тока базы, а, следовательно, и тока коллектора. Увеличение тока коллек-
тора приведет к еще большему нагреву и т. д.
Для предотвращения этого явления необходимо применять специальные
меры. На рис. 7 приведены примеры борьбы с положительной тепловой об-
ратной связью, основанные на местных отрицательных электрических связях.
Рис. 7
В обеих схемах в эмиттерные цепи установлены дополнительные рези-
сторы, падение напряжения на которых пропорционально протекающему то-
ку. Увеличение падения напряжения на резисторах приводит к уменьшению
открывающих напряжения на базах транзисторов и стабилизации режима.
Во второй их схем в цепи электрических обратных связей установлены
дополнительные усилительные элементы, увеличивающие петлевые коэффи-
циенты передачи. За счет этого можно уменьшить сопротивления резисторов
в эмиттерных цепях выходных транзисторов, а, следовательно, и потери
мощности полезного сигнала.
В схеме рис. 8 применена другая идея термостабилизации – тепловая от-
рицательная обратная связь.
Рис. 8
Здесь транзисторные пары VT2, VT3 и VT1, VT4 имеют тепловой кон-
такт. В результате нагрев выходного транзистора (например VT3) приводит к
нагреву связанного с ним транзистора VT2. Напряжение U
бэ0
этого транзи-
стора падает, что снижает ток коллектора транзистора VT3.
Подобное решение находит применение в частности в интегральной
схемотехнике, где транзисторы расположены на одной подложке, и между
ними имеется тепловой контакт.
На схемотехнику оконечных каскадов оказывает влияние еще одно об-
стоятельство. Мощные транзисторы оконечных каскадов, как правило, обла-
дают невысоким значением коэффициента передачи тока базы. Для его по-
вышения применяют так называемые составные транзисторы, схемы которых
приведены на рис. 9.
Рис. 9
На левом рисунке показан составной транзистор n-p-n-типа. Для этой
схемы справедливы соотношения:
ý1
á2
á1
1
ý2
á2
á1
2
1 2
1 2
áý0
áý0.
;
β
;
β
β β
β
β β ;
2
I
I
I
I
I
I
U
U
Σ
Σ
=
=
=
=
=
=
На правом рисунке показан составной транзистор p-n-p-типа. Основу его
составляет мощный транзистор с проводимостью n-p-n, поскольку такие
структуры удобнее формировать технологически. Для этой схемы справедли-
вы следующие соотношения:
á2
ê1
á1
1
ý2
á2
á1
2
1 2
1 2
áý0
áý0.
=
;
β
;
β
β β
β
β β ;
I
I
I
I
I
I
U
U
Σ
Σ
=
=
=
=
=
Как видно, в обоих случаях коэффициент передачи тока является произ-
ведением коэффициентов двух транзисторов, который для маломощного
транзистора может быть значительным.
Необходимо обратить внимание на различие начальных напряжений ба-
за-эмиттер.
Информация о работе Лекции по "Схемотехнике аналоговых устройств"