Электроника и схемотехника, Ч. 1 / Усилительные устройства 1989

ления которых для постоянного и переменного токов Зl1а­

чительно различаются.

Такими свойствами, например, могут обладать тран­ зисторы, которые работают в нормальном активном ре­

жиме [6,7].

4.12.2. СХЕМЫ КАСКАДОВ

С ДИНАМИЧЕСКИМИ НАГРУЗКАМИ

Если в коллекторную цепь обычного УСИШlТельного каскада, реализованного по схеме с ОЭ, вместо резистор­

ной нагрузки включить транзистор другого типа прово­

димости, работающий в нормальном активном режиме, то получится простейший каскад с динамической нагруз­

кой (рис. 4.40).

По отношению к источнику питания оба транзистора

этого каскада включены последовательно. В последова­

тельной цепи, как известно, протекает один и тот же ток

/ЭI ~!Э2. Токами баз транзисторов можно пренебречь,

так как предполагается, что к,оэффициенты усиления то-

. ков транзисторов большие.

Последовательное включение двух транзисторов спо­

собствует стабилизации режима питания по постоянному

току каждого из транзисторов, так как р-n-р транзистор

VT1 совместно с резисторами Rl и R2 по отношению к n-р-n транзистору VT2 является источником постоян­

ного тока (ГСТ), который	его питает, а VT2 совместно
с резисторами Rз и R4 по отношению к VT1 тоже явля­
ется стабилизатором тока,	а точнее токоотводом, кото­

рый отбирает от усилительного транзистора стабиль­

ный ток.

Следовательно, динамическая нагрузка усилитеJ!~!lО­ ro каскада представляет собой некоторую схемную раз­

новидность рассмотренных ранее ГСТ, сопротивления

которых постоянному TOК'~ сравнительно неболыпие, а со­

противления переменному току на несколько порядков

превышают первые.

Различные схемные реализации ГСТ анализирова­

лись в гл. 3. В данном параграфе ставится иная задача:

раскрыть суть и технические возможности динамических нагрузок, дать их анализ и показать перспективы их

применения в усилительных каскадах.

На схеме усилительного каскада с динамической на­ грузкой Jрис. 4.40) оба ГСТ ВЫПОJlНены по элементар-

201

	r--_--т---оtfл	Рис. 4.40. Схема усилительиого каска_
		да с динамической		нагрузкой
8хol//	VT!
		ным схемам без цепей смеще­
		ния и на практике из-за не­
		достатков	встречаются не так
ВХ0l/2	VT2	часто. Основным		недостатком
	lIZ	каскада является большое чис­
		ло резисторов (в два раза пре­
		вышающее	число	транзисто­

ров), что делает его дороже

при реализации ПQ интеграль­

ной технологии и не позволяет

получить достаточно высокую температурную стабиль­

ность параметров каскада.

Особенности динамической нагрузки проще всего про­

иллюстрировать на статических БАХ транзистора, кото­

рые изображены на рис. 4.41. На входной статической БАХ (см. рис. 4.41, а) показана точка покоя А, дЛЯ ко­

торой сопротивление постоянному току R = Ивэ/Iэ,

а сопротивление переменному току Rд = (Ивэ-И') /1 э.

Следовательно, сопротивление переменному току тран­ зистора со стороны эмиттерного вывода будет меньше

сопротивления постоянному току со стороны того же вы­

вода (Rд~R). На выходной статической БАХ (см. рис. 4.41, б) для данной выбранной точки покоя А динамиче­

ское сопротивление транзистора со стороны коллектора

Rд=(Икэ -U')/lк значительно больше сопротивления постоянному току R= Икэ/Jl(. Следовательно, динами­

ческая нагрузка с большим сопротивлением может быть

получена только в том случае~ когда в качестве на­

грузки используется выходное сопротивление транзи­

стора.

Для каскада с ОЭ в качестве УЭ и динамической на­

грузки обязательно выбирается комплементарная пара транзисторов р-n-р и n-р-n типов (см. рис. 4.40), а в эмиттерном повторителе транзисторы должны быть

одного типа, так как в этом случае динамическая на­

грузка включается в эмиттерную цепь усилительного

транзистора '(рис. 4.42).

(1равнива!l схемы усилительных каскадов с динами­ ческими нагрузками на рис. 4.40 и 4.42, необходимо от­ метить прежде всего их сходство. :Каждая из усилитель-

202

Рис. 4.41. Статистические вольт-амперные характеРlIстикн

биполярного транзистора:

а - вхо~ная; 6 - выходная

ных схем имеет в своем составе два входа, ОДl:lн выход,

два резисторных делителя и два транзистора, которые

включены последовательно. Различие между Ними про­ является только в том, что схема усилителя с ()Э имеет биполярные транзисторы противоположной ПРоводимо­ сти, а в схеме эмиттерного повторителя оба тра.нзистора

{ЩНЛJ'D TJJ.U};I~

В обеих усилительных схемах специально СДелано по два входных Bы13да,' чтобы показать универ<;альность каскадов с динамическими нагрузками. НаПРЮ,fер, если на вход 1 усилительного каскада (см. рис. 4.4:0) пода­ вать напряжение сигнала, которое необходимо усилить, а на входе 2 задавать только постоянное наQряжение смещения на базы транзистора VT2 с помощью резис­ торного делителя Rз и R4, то транзистор VT 1 будет вы­

полнять функцию УЭ, а его неуправляемой динамиче­

ской нагрузкой будет выходное сопротивление транзис­ тора VT2. Иногда динамиле-

ская	нагрузка	может	быть	+f""
и управляемой.
В свою очередь, если на				11(1
вход 1 ничего		не подается,		8хоиl
а источник сигнала подключен				о---+-_+-н
ко входу 2, то транзистор VT2
выполняет функции УЭ, а его				oxon
динамической нагрузкой			явля-
ется	выходное	сопротивление		O---I--_H
транзистора VT 1.				{/;
РНС	4 42. Схема эмнттерного		ПОI!ТО­
рнтеля с динамической нагрузкой

2('1

В случае комплементарной пары транзисторов :(см. рис. 4.40), когда их параметры ОТЛ\fчаются друг от друга незначительно, коэффициент усиления, входное и выходное сопротивления каскада ОЭ с динамической

нагрузкой практически не изменяются при подаче уси­

ливаемого сигнала на входы 1 или 2. Это объясняется

тем, что усилительные свойства комплементарной пары

транзисторов примерно одинаковые и nрименение УЭ

в качестве динамической нагрузки, а динамической на­ грузки в качестве УЭ почти равнозначно. Различие со­

стоит только в том, что по постоянному потенциалу

вход 1 отличается от входа 2 на сумму двух напряже­

ний UКБJ + UКБ2, которая для кремниевых транзисторов

средней мощности достигает десяти вольт. Следователь­

но, с помощью комплементарной пары транзисторов в каскаде с динамической нагрузкой можно транслиро­

вать ПОстоянный потенциал вниз от едиuиц до десятков

вольт, что весьма существенно для интегральных уси­

лителей, где используются непосредственные связи меж­

ду квс,КэдамИ,

В эмнттерном повторителе с динамической нагрузкой '(см. рис. 4.42), где также имеются два входа и транзис­

торы включены последовательно по отношению к источ­

нику питания, что способствует повышению стабильности

их режима питания, подача усиливаемого сигнала на

вход 1 неравноценна, как в предыдущем случае, подаче усиливаемого сигнала на вход 2. Это объясняется Te~, что при подаче сигнала на вход 1 УЭ Становится тран­ зистор VT 1, а его динамической нагрузкой в цепи эмит­ тера является достаточно большое ВЬ!ХОДlIOе сопротивле­ ние транзистора VT2. Транзистор VT2 совместно с ре­ зисторами Rs и R4 по отношению к транзистору VT 1 яв· ляется токоотводом и стабилизирует его режим ПИ11ШИЯ. Коэффициент усиления напряжения в этом случае бли­

зок к единице.

В случае подачи усиливаемого сигнала на вход 2 УЭ

является транзистором VT2, а его динамической нагруз­ кой в коллекторной цепи будет небольшое входное со­ противление транзистора VT 1, а точнее, сопротивление

его эмиттерного р-n перехода, смещенного в прямом на­

правлении. Следовательно, транзистор VT2 будет рабо­

тать в режиме, близком к короткому замыканию. В ре­ зультате коэффициент усиления такого каскада практи­

чески равен нулю.

204

На основе изложенного нетрудно прийти к ошибоч­

ному выводу, что подобное сочетание транзисторов

в усилительном каскаде не может представлять практи­

ческого интереса. Однако если в этот каскад со входом 2

добавить всего ощIН резистор Rs в коллекторную цепь

транзистора VT 1 и снимать с него выходное напряжение

(рис. 4.43), то получится усилительный каскад с особы­

ми параметрами. В этом каскаде, получившем ориги­

нальное название "аскод, сведена до минимума внутрен­

няя связь между l3ыходной и входной цепями каскада

и практически УС1ранена опасность самовозбуждения.

4.12.3. ИНТЕГРАЛЬНЫй УСИЛИТЕЛЬ

С ДИНАМИЧЕСКОй НАГРУЗКОй

Усилительные J{аскады с динамическими нагрузками

(см. рис. 4.40 и 4.42) в интегральных усилителях прак­

тически не встречаЮтся, так как они имеют много резис­

торных делителей, что привадит к увеличению площади

Рис. 4.43. Схема К8СКОД­	Рис. 4.44. Схема интегрального
ного усилителя на бипо­	усилительного каСКада с дина·
лярных транзисторах	мической нагрузкой

1

Рис 4.45. интегральный УСIIЛИ­

тсльный КDскад с динамичсской

нагрузкой иа МДП-траllЗИСТО- 2

рах

205

кристалла, а следовательно, стоимости микросхемы. По­

этому интегральные усилители в каскадах с динамиче­

скими нагрузками имеют не резис'Горные делители, а ди­

одные транзисторные и другие цепи смещения.

Интеrральный каскад с динамической нагрузкой '(рис. 4.44) реализован на одном резисторе R и четырех

транзисторах, два из которых n-р-n типа и два р-n-р.

Штриховыми линиями на схеме каскада показаны вы­

ходное сопротивление предыдущего каскада как сопро·

тивление генератора Rr и входное сопротивление после­ дующего каскада как сопротивление нагрузки Rп. Тран­ зистор VT 1 n-р-n типа с горизонтальной структурой, обеспечивающий значительный коэффициент усиления тока, является УЭ. На его базу подается сигнал с выхо­ да предыдущего каскада. Транзистор VT2 n-р-n типа выполняет функцию токовой защиты. При нормальных условиях он закрыт и на работу усилительного каскада не оказывает никакого влияния. Транзистор VT3 р-n-р

типа выполняет функцию неуправляемой динамической

нагрузки усилительного транзистора VT1. Он может

иметь как горизонтальную, так и вертикальную структу­

ру. Необходимый режим его базовой цепи по постоянно­ му току обеспечивается с помощью транзистора VT4, ко­

торый включен по схеме диода.

Если оба р-n-р транзистора VT3 и VT4 имеют верти­

кальную структуру, то их можно изготовить в одной изо­

лированной области на кристалле, что будет способст­

вовать уменьшению площади всего кристалла. Что ка­

сается двух n-р-n транзисторов, то для каждого из них

потребуется отдельная изолированная область на крис­ талле. Резистор R, если его сопротивление не столь большое, можно реализовать как продолжение базовой

области VT2.

Как следует из короткого анализа схемы интеграль­ ного усилительного каскада на бипополярных транзис­

торах с динамической нагрузкой, для его реализации на

кремниевом кристалле требуется несколько изолирован­

ных областей, а это существенно уменьшает степень ин­

теграции микросхемы и в целом увеличивает площадь

кристалла.

Другое дело, если усилительный каскад с динамиче­

ской нагрузкой реализуется по КМОП-технологии, т. е.

на полевых транзисторах. В этом случае для создания транзисторов как с n-, так и с Р-К8налом не требуется

206

формировать изолированные области, что дает возмож­

ность значительно повысить плотность упаковки элемен­

тов микросхемы.

Схема интегрального усилительного каскада с дина­ мической нагрузкой на МДП-транзисторах с обогащен­ ными р- и n-канаJIами изображена на рис. 4.45. Если ис­

пользовать вход 1 для подачи усиливаемого	сигнала,
а вход 2 для установления соответствующего	напряже­

ния смещения, то транзистор УТ1 будет выполнять функ­ uии УЭ, а транзистор VT2 - динамической нагрузки.

При подаче на вход 1 напряжени.я смещения, а на вход 2

усиливаемого сигнала функuии транзисторов УТ1 и VT2 меняются на противоположные. Выпускаются интеграль­ ные усилители типов: 504УНl, 504УН2, 504НТ2, 504НТ3, 504НТ4 с динамическими нагрузками, в которых исполь­

зуются полевые транзисторы с управляемым р-n пере­

ходом [6].

Поскольку усилительные каскады с динамической на­

грузкой на комплементарных МДП-транзисторах (см рис.

4.45) и на комплементарных биполярных транзисторах

'(см. рис. 4.44) по принuипу работы не отличаются друг

от друга, то достаточно проанализировать один из них.

Для определения режима питания транзисторов уси­

лительного каскада по постоянному току удобно поль­

зоваться их статическими ВАХ. Так как в эмиттерной ue- пи транзистора УТ1 имеется резистор Я, то выходную

ВАХ транзистора УТ1 необходимо скорректировать

с учетом того, что коллекторный ток транзистора УТ1

будет определяться напряжением 1к lЯ в результате па­

дения напряжения на резисторе R.

Если коэффиuиент передачи тока транзистора УТ1

достаточно большой (100...200), а интегральные n-р-n

транзисторы с горизонтальной структурой могут иметь этот коэффиuиент и больше, то, пренебрегая током базы

транзистора, получаем
ик =	UКЭ1 + lю R,	(4.123)
где UКЭ1	- напряжение коллектор-эмиттер	транзисто­

ра VT1.

На основе (4.123) на графике семейства статических выходных ВАХ транзистора УТ1, которые на рис. 4.46, а

показаны штриховыми линиями, строится завиC1fМОСТЬ

iю =f(uкэ). Для выходной цепи усилительного каскада

можно записать другое равенство

287

(4.124)

где Uк.эз - напряжение коллектор-эмиттер транзисто­

ра VT3.

Поскольку транзистор VT3 является нагрузочным по отношению к транзистору VT1 и его входное сопротив­

ление используется как динамическая нагрузка, то по­

строенные на графике семейства скорректированных вы­

ходных БАХ транзистора VT 1 нагрузочные характерис­ тики (выходные БАХ транзистора VT3, включенного по

схеме с ОЭ) с учетом равенства (4.124) имеют начало координат в точке Еп• как это показано на рис. 4.46, б. Исходя из характеристик для заданного коллекторного тока. который протекает через транзисторы VT 1 и VT3,

легко найти соответствующие базовые токи и рассчитать усилительный каскад по постоянному току.

При анализе усилительного каскада с динамической

нагрузкой по переменному току можно воспользоваться методами эквивалентных схем графов или матричным

методом, как это делалось при анализе каскадов с ре­

зисторными нагрузками. Б случае применения метода

эквивалентных схем основные транзисторы усилительно­

го каскада с динамической нагрузкой (см. рис. 4.44) VTl и УТ3 заменяются эквивалентными схемами для h-па­ раметров. Б результате получаем эквивалентную схему усилительного каскада с динамической нагрузкой (рис. 4.47). На эквивалентной схеме каскада не показаны тран­ зисторы VT2 и VT4, так как транзистор VT2 в нормаль­

ном состоянии закрыт и никакого влияния на работу

каскада не оказывает, а транзистор VT4 представляет собой открытый диод с очень малым внутренним сопро-

----

о

а)

Рис. 4.46. Семейство статических выходных вольт·амперных xapal"

теристик:

а - скорректироваиных; б - нагрузоqных

2

Рис 4 47. Эквивалентная схема усилительного каскада с динамичес­ кой нагрузkой

тивлением, который практически lllунтирует вход тран­

зистора VT3. Поэтому транзистор VT3, который рабо.

тает в режиме управляемого динамического сопротивле·

ния, можно замещать не полной эквивалентной схемой для h-параметров, а только выходной проводимостью.

Для эквивалентной схемы усилительного каскада

с динамической нагрузкой справедливы уравнения

11 +h;,Jl + (и2- Uз)h~э- Uэ/R'	О;
и1 - uз- h;IЭ 11 - h;2Э (и2- uз) = О;	(4.125)

h;tэ11 + (и2- uз) h;2Э + и2 (h'~э + ан) = о.

Полагая, что интегральный n-р-n транзистор, имеющий

горизонтальную структуру, имеет достаточно высокие

показатели, а сопротивление резистора токовой защи­

ты R по сравнению с выходным сопротивлением транзис­

тора незначительно, получаем выражение для коэффи­

циента усиления напряжения путем исключения из урав­

нений (4.125) тока 11 и напряжения uз:

(4.126)

где h;\э, h~IЭ' h;2Э - параметры усилительного транзисто­

ра VT1; h;2э - выходная проводимость нагрузочного

транзистора VT3; АН - проводимость нагрузки. Входное

сопротивление усилительного каскада с динамической

нагрузкой

RBx = h;IЭ + (1 +h;tэ) R.

(4.127)

209

Выходная проводимость равна сумме ВЫХОДНЫХ ПРОВО­

димостей усилительного и нагрузочного транзисторов

Овых = h;2S +h;2!1·

(4.128)

Анализируя полученные напряжения, можно утверж­

дать, что каскад с динамической нагрузкой имеет очень

большое выходное сопротивление (сот,!и килоом, еди­

ницы мегаом). Его входное сопротивление примерно рав­

но входному сопротивлению каскада с АЗ, если сопро­ тивление резистора R небольшое, т. е. определяется

входным сопротивлением транзистора, который включен по схеме с аз. Каскад инвентирует фазу усиливаемого

напряжения и обеспечивает большой коэффициент уси­ ления напряжения (несколько тысяч).

Поскольку рассматриваемый усилительный кас!<ад

с динамической нагрузкой обладает свойствами каскада

,С АЗ, то при расчете его параметров можно воспользо­ ваться формулами, полученными в § 4.8 для резистор­ HOI·O усилительного каскада С АЗ, подставив вместо со­

противления резистивной нагрузки выходное сопротив­

ление нагрузочного транзистора.

Усилительные кас:кады с динамической нагрузкой, обеспечивающие, как и каскады с АЗ, максимальное уси­

ление мощности и значительный коэффициент усиления напряжеНlIЯ без увеличения напряжения источника пи­ тания, получили широкое распространение, особенно в интегральных усилителях, где транзисторы обходятся

дешевле резисторов. Кроме того, каскады с динамиче­ ской нагрузкой способны транслировать (сдвигать вниз)

уровень постоянного потенциала, что весьма существен-

110 при непосредственных связях между каскадами.

4.l3. РЕЗИСТОРНЫЕ КАСКАДЫ

НА НЕСКОЛЬКИХ ТРАНЗИСТОРАХ

4.13.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

В связи с развитием микроэлектроники в аналоговых

микросхемах помимо каскадов на составных транзисто­

рах и с динамическими нагрузками применяются усили­

,ельные каскады на двух и даже нескольких транзисто­

рах. Промышленностью выпускаются дифференциальные,

универсальные, видео-, каскодные и другие усилители,

210