3.6 Усилительные каскады на двух транзисторах

3.6.1 Каскодный усилитель

Кусилительным каскадам на двух транзисторах принято относить каскодный усилитель и дифференциальный усилитель. Первый принято использовать там, где схема усилителя ОЭ не удовлетворяет по своим частотным свойствам. В усилителе (рисунок 3.6.1 –а) выход связан со входом

через емкость коллекторного перехода транзистора С_К, что приводит к увеличению входной емкости каскада до значения

,

где К_и ≈ αR_K/R_Э - коэффициент усиления каскада по напряжению. Это ограничивает верхнюю граничную частоту ω_В и может привести к самовозбуждению каскада на высоких частотах.

Для уменьшения влияния емкости С_К на частотные характеристики каскада ОЭ применяется каскодная схема ОЭ-ОБ (рисунок 3.6.1-б). Здесь транзистор Т1 включен по схеме ОЭ, а транзистор Т2 - по схеме ОБ (потенциал базы транзистора Т2 зафиксирован источником Е). Нагрузкой транзистора Т1 является малое входное сопротивление транзистора Т2

При этом транзистор Т1 работает в режиме, практически близко к короткому замыканию коллекторной цепи, и его коэффициент усиления очень мал:

Благодаря этому практически исключается связь между коллектором транзистора Т1 и его базой через емкость С_К1 и значительно снижается влияние емкости С_К1 на граничную частоту ω_В.

Емкость С_К2 через источник Е соединена с общей шиной. Поэтому обратная связь между выходом и входом каскодной схемы практически отсутствует, что резко снижает опасность самовозбуждения усилителя.

Верхняя граничная частота каскодной схемы без учета частотной зависимости коэффициентов передачи тока α₁ и α₂ определяется, как и для каскада ОБ, емкостью С_К2 и сопротивлением R_К (постоянной времени R_К С_К2) и значительно больше, чем в каскаде ОЭ, где постоянная времени за счет емкости С_К при большем внутреннем сопротивлении источника сигнала R_Г достигает значения С_К (₀+1)R_К.

Коэффициент передачи тока каскадной схемы:

(3.6.1)

Из (3.6.1) видно, что коэффициент передачи тока в каскодной схеме мало отличается от коэффициента передачи тока α₁ транзистора Т1. Следовательно, коэффициент усиления и входное сопротивление будут такими же, как и в каскаде ОЭ. Таким образом, каскодкая схeмa ОЭ-ОБ, обладая такими же усилительными свойствами, как и каскад ОЭ, имеет более широкую полосу пропускания (как каскад ОБ) и в значительно меньшей степени подвержена самовозбуждению. Благодаря таким свойствам каскодная схема ОЭ-ОБ находит широкое применение в широкополосных и резонансных усилителях и в дифференциальных усилителях для получения большего усиления и хороших частотных свойств.

На рис. 3.6.1 -в приведена каскодная схема ОК-ОБ. Она применяется в составе АИС тогда, когда постоянный уровень выходного напряжения должен быть ниже уровня входного напряжения для обеспечения непосредственной вязи с последующими каскадами. Транзистор Т1 включен по схеме ОК, а транзистор Т2 - по схеме ОБ. Включение Т2 по схеме ОБ позволяет исключить обратную связь через емкость С_К2 между выходом и входом усилителя, что расширяет полосу пропускания и препятствует самовозбуждению. Транзистор Т1, включенный по схеме ОК, обеспечивает большое входное сопротивление.

Коэффициент усиления каскодной схемы, считая коэффициент передачи каскада ОК близким к единице,описывается выражением:

Учитывая, что R_Г = R_ВЫХ.1=r_Э1+ r_Б1(1-α₁) и R_ВХ.2 = r_Э2+ r_Б2(1-α₂) и считая параметры транзисторов одинаковыми, можно записать

(3.6.2)

Таким образом, усиление каскодной схемы близко к усилению каскада ОЭ. Для получения большего усиления, вместо коллекторной нагрузки R_K включают стабилизатор тока. Каскодная схема ОК-ОБ применяется во входных дифференциальных каскадах операционных усилителей.