Электроника и схемотехника, Ч. 1 / Усилительные устройства 1989

реалиаованные в виде интегральных микросхем сернА

Ю.18УДl, K198YH1, Кl18УПI, К118УН2, KlI8YH1.

Из перечисленных интегральных усилителей хотелось бы выделить каскадный усилитель KI18YH2 и универ­ сальный линейный каскад KI98YHI. Первый реализо­ ван на биполярных транзисторах по каскадной схеме

:<см. рис. 4.43), а второй по схеме с э.мuттерноЙ свяэьЧJ

(если каскад на полевых транзисторах, то по схеме с ис­

токовой связью).

Если в каскадных усилителях на биполярных и поле­

вых транзисторах оба транзистора включены последова­

тельно с источником питания, ·то в каскадах с эмиттер­

ной или истоковой связью они соединены параллельно,

но при этом имеется один общий элемент связи для обо­

нх транзисторов, который включен с ними последова­

тельно по отношению к источнику питания. Общим эле­

ментом могут быть как обычный резистор, так и дина­

мическая нагрузка, представляющая собой ГСТ.

4.13.2.КАСКаДНЫЕ УСИЛИТЕЛИ

вкаскодном усилителе на биполярных транзисторах

ICM. рис. 4.43) транзисторы VT1 и VT2 и резистор R5

с источником питания соединены последовательно. В ре­

зультате через оба транзистора протекает один и тот же

ток. Если подобное соединение двух биполярных тран­

зисторов рассматривать как своеобразный составной транзистор, то его коэффициент передачи тока незначи­ тельно ОТJlИчается от коэффициента передачи тока тран­

зистора VT 1. Это следует из очевидных соотношений

/К2 = h21б2 /Э2 = h2162/Ю = h 2162 h 2161 , Э1'

(4.129)

Из (4.129) получаем

(4.130)

Следовательно, коэффициент усиления напряжения каскодного усилителя ненамного отличается от коэФ<hи­ циента усиления каскада с ОБ:

К = h2l(j Rы вх..

(4.131)

Коэффициент усиления напряжения каскадного уси­

лителя на биполярных транзисторах можно определить,

заменив транзисторы эквивалентными схемами и постро­

ив эквивалентную схему каскода. В результате анализа

2Н

Рис. 4.48. Схема каСI{ОДНОГО уса­

пителя на полевых 'I'ранзисторах

эквивалентной схемы каскада

		можно получить выражение	для
		коэффициента усилеllИЯ напряже­
		ния, которое не Отличается	от
	•	(4.131). Анализ каскода на по-
		левых транзисторах (рис. 4.48)
	-Еn	с помощью эквивал~нтной схемы
'--.......-	.......-....:..-0	проводится аналогично.

Анализ каскодных усилителей

можно значительно упростить,

если перейти к упрощенным схемам (рис. 4.49). В упро­ щенной схеме каскада на биполярных транзисторах (рис. 4.49, а) транзистор VT2 включен по схеме с ОЭ,

а транзистор VT1 - по схеме с ОБ. В упрощенной кас­

кодной схеме на полевых транзисторах (рис. 4.49, б) транзистор VT2 включен по схеме с ОИ, ~ транзистор VT/ - по схеме с аз.

Резисторные усилительные каскады аН8JlИзировались

ранее, и для них получены выражения ОСНовных пара­

метров (К, Kl, R8X, RBblX), которыми можно воспользо­ ваться в данном случае. Правда, каскады С ОЭ и с ОИ

нагружены не на резисторные нагрузки, а на входные со.!

противления каскодов с ОБ и с 03. Это неОбходимо учи­ тывать. Например, нагрузкой транзисторов VT2 являют­

ся крайне малые входные сопротивления транзисторов

VT1, так как в первом случае транзистор VT1 включен

по схеме с ОБ, а во втором - по схеме с 03. В резуль­

тате транзисторы VT2 обеих каскодных схем работают.

в режиме, близком к короткому замыкаНltю, и усиле­

ние напряжения в этих каскадах практически отсутст-

вует. .

Следовательно, если транзисторы VT1 n УТ2 в кас­

кодных схемах связаны ме'жду собой с ПОМощью незна­

чительных взаимных сопротивлений, то ВЫХОдные и вход­ ные цепи каскодных усилителей практически развязаны. Таким образом, выходная цепь каскода не оказывает за­ метного влияния на входное сопротивление. Тогда для

определения входных сопротивлений каскодных усили­

телей можно воспользоваться полученными ранее выра­

жениями для входных сопротивлений каскадов с ОЗ

и сОИ:

212

	(4.132'
RBX = Rв,ои = Rз.	(4.133)
В свою очередь, влияние входных	транзисторов на

выходпые сопротивления каскадных усилителей можно рассчитывать с помощью формул для каскадов с ОБ

и с ОЗ:

	(4.134)
RBblx = Rвыхоз = 'с!! 11 R4 •	(4.135)
Усилрние напряжения в каскадных схемах будут
обеспечивать только транзисторы, включенные	по схе­

:мам с ОБ и с ОЗ, так как транзисторы, включенные по схемам с ОЗ и ОИ, работают практически в режиме ко­

роткого замыкания. Коэффициент усиления каскада с ОБ находится по (4.108) и мало отличается от полу­

ченного упрощенного выражения усиления напряжения

каскода

К = КОВ = h21б R41hllб 11 R1 11 R2,	(4.136)
К = Коз = (1 + t.t)R4/['си + R4 + Rr (1 +J.t)].	(4.137)

Коэффициенты усиления тока каскодных схем опре-

деляются коэффициентами усиления тока его транзисто­

ров. Поскольку в каскодном усилителе на полевых тран­

зисторах входной ток практически равен нулю, то выра­ жение для коэффициента усиления тока рассматривается

только Д,1Я каскода на биполярных транзисторах. При каскадном соединении транзисторов VT2 и VT 1 коэффи­

циент уСИJlения тока каскодного vсилителя

(4.138)

6)

Рис. 4.49. Упрощенные схемы каскодных уснлителей:

а - на биполярных транзисторах; б - на полевых транзисторах

213

Так как в каскаде с ОБ ток не усиливается и только

впределе его коэффициент усиления тока приближается

кединице, то коэффициент усиления тока каскодного усилителя примерно равен коэффициенту усиления тока

каскада с ОЭ

К/ = КJOэ = h2Iэ2/( 1+hпЭ2 RH ) ~ h21з2•

(4.139)

Таким образом, каскодные усилители не имеют преиму­ ществ по сравнению с простейшими резисторными кас­

кадами как по входным и выходным сопротивлениям,

raK и по коэффициентам усиления тока и напряжения. Однако они примечательны тем, что в каскадах почти

полностью развязаны входная и выходная цепи, так как

в промежуточной точке (база транзистора VT 1) сохра­ няется неизменный потенциал. В усилительном каскаде

с ОЭ его входная цепь. связана с выходной через заряд­

ную емкость и сопротивление КОЛJIекторного р-n пере­

хода транзистора. В каскаде на полевых транзисторах промежуточная точка (затвор транзистора VT 1) также

находится под неизменным потенциалом. В усилитель­

ном каскаде с ОИ его входная цепь связана с выходной

цепью через зарядную емкость и сопротивление утечки

управляемого р-n перехода.

Следовательно, в каскадных усилителях эффект Мил­

лера не проявляется, так как напряжение на выходе кас­

кода хотя и вызывает ток через зарядные емкости, но он

замыкается на землю через источник напряжения сме­

щения и не попадает в выходные цепи транзисторов

VT2. Таким образом, опасность самовозбуждения кас­ кадных усилителей устраняется полностью. И, как след­

ствие. каскадные усилители имеют неоспоримое преиму­

шество перед остальными усилительными каскадами,

особенно в области верхних частот.

4.13.3. КАСКАДЫ С ЭМИТТЕРНОй

И ИСТОКО'вой СВЯЗЯМИ

Каскад с эмиттерной связью (рис. 4.50, а) представ­

ляет собой разновидность каскада параллельного ба­

ланса. Если в этом усилительном каскаде использовать

идентичные транзисторы, в коллекторную цепь транзис­

тора VT 1 включить резистор, сопротивление которого равно сопротивлению резистора Rз. исключить конден­

сатор С, а выходное напряжение снимать с коллектор-

214

Рис. 4.50. Схемы усилителЬНЫХ каскадов с 9миттерноА (а) Н исто­

ковоА (6) связями

VTI VN

u,

u,

а)

Рис. 4.51. Упрощенные схемы каскадов с эмнттерной (а) и истоковой

(6) связями

ных резисторов, то получится симметричный дифферен­

циальный каскад. Точку А этого каскада можно исполь­ зовать как второй вход. В том случае, когда в каскаде

используется один выход и два входа (конденсатор С от­

сутствует), кзскад с эмиттерной связью рассматривает­

ся как вычитатель двух напряжений.

Транзисторы каскада VT1 и VT2 связаны с помощью

ГСТ, который стабилизирует режим питания транзисто­

ров каскада по постоянному току. Иногда вместо ГСТ в каскаде применяется обычный резистор, с помощью ко­

торого осуществляется отрицате.1ьная ОС по току, так­

же стабилизирующая токи транзисторов.

Распространенная схема каскада с эмиттерной свя­

зью (один вход и один выход) показана на рис.		4.50, а
с ГСТ в эмиттерной цепи. В том случае, когда		каскад
реализуется	на полевых транзисторах (см. рис. 4.50, б),
в истоковую	цепь транзисторов включается или гсТ, или

резистор, связывающий транзисторы и образующий кае'

215

кад с истоковои связью. Еслй усилитеЛьНые каскады за­

менить их упрощенными схемами, то легко установить,

что в каскаде с эмиттерной связью (рис. 4.51, а) транзи­

стор VT 1 включен по схеме с ОК, а транзистор VT2 - по

схемесОБ, а в каскаде с ИСТОКОВОЙ связью (рис.451,б)

транзисгор УТ1 включен по		схеме с ОС, а транзистор
VT2 -	по схеме с 03. Связь	между транзисторами VT1
и VT2	в обеих схемах осуществляется с помощью ГСТ,

причем сравнительно большое сопротивлеfше ГСТ шун­

тируется малым входным сопротивлением транзистора,

который включен по схеме с ОБ (рис. 4.51, а) или по схе­ ме с 03 (рис. 4.51, б). Таким образом, ВЫходная цепь

усилительного каскада как с эмиттер ной, так и с истоко­ вой связью слабо связана с входной цепью. Это одно из

существенных достоинств данных каскадов, обеспечи­

вающих их устойчивую работу в области верхних частот

подобно каскодным усилителям.

Следовательно, если транзисторы VT1 и VT2 в уси­

лительных каскадах с эмиттерной или ИСТОковой связью слабо связаны, то выходные цепи этих кас\{адов практи­

чески не могут оказывать заметного ВЛИЯЩIЯ на вход­

ные и наоборот. Входное сопротивление каскада с эмиг­

терной связью будет примерно таким, как у каскада с ОК

без учета сопротивления делителя R1R2:

RBx ~ RBXOK = 'б + (1 + h2lэ) (Rд 11 h11б2),

(4.140)

где Rд - динамическое сопротивление ГСТ и эмиттерно­ го р-n перехода транзистора VT2.

Входное сопротивление каскада с истоковой связью

приблизительно равно входному сопротивлению каска­

да, включенного по схеме с ОС:

(4.141)

Выходные сопротивления каскадов с ЭМИТl'ерной и исто­

ковон связями будут определяться ВЫХОДН~IМИ сопротив­

лениями каскадов с ОБ и с 03

RBblX ~ RBblXOB = RJ 11	(lIh22б),	(4.142)
R BblX ~ RBblX03 = R2 11	'си'	(4.143)

Коэффициент усиления напряжения каскада с эмиттерной связью можно записать как произйедение коэф­

фициентов передачи каскадоn с ОК и с ОБ

К = КОК Ков'

(4.144)

216

Поскольку коэффициент усиления напряжения каскада с ОК с некоторым приближением можно считать равным

единице, то коэффициент усиления каскада с эмиттерной

связью будет определяться коэффициентом усиления на­

пряжения каскада с ОБ

К ~ КОН = h21б R/hllб•

(4.145)

По той же причине коэффициент усиления KaCK~дa с ис­

токовой связью примерно равен коэффициенту усиления

каскада с 03

К ~ Коз = (1 + f-t) R2/[,си + R2 + Rr (1 + f-t)]. (4.146)

Говорить о коэффициенте усиления тока в каскаде, реа­ лизованном на полевых транзисторах, особенно с изоли­

рованным затвором, не имеет смысла, так как токи за­

твора полевых транзисторов крайне малы. Поэтому бу­

лем рассматривать только коэффициент усиления тока с эмиттерной связью.

Коэффициент усиления тока каскада с ОБ при боль­ шом значении h21б транзистора можно считать равным

единице. Тогда коэффициент усиления тока каскада с эмиттерной связью будет определяться в основном ко­

эффициентом усиления тока каскада сок

К/ ~ КЮК = 1 +h21э/(l + h22э Rи) ~ 1 +h21э• (4.147)

Из приведенного анализа каскадов с эмиттерной и ис­ токовой связями СJIедует, что для расчета основных па­

раметров усилительных каскадов на нескольких транзис­

торах (сложных каскадов) можно пользоваться выра­

жениями, полученными для простейших одиночных ре­

зисторных каскадов.

4.14. УСИЛИТЕЛЬНЫЕ КАСКАДЫ

НА ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЯХ

4.14.1. ИНВЕРТИРУЮЩИй УСИЛИТЕЛЬ НА ОПЕРАЦИОННОМ УСИЛИТЕЛЕ

Анализ усилителей на основе ОУ проводится непо­

средственно по принципальной схеме усилителя или с по­

мощью замены ОУ его эквивалентной схемой и после­

дующего анализа уже эквивалентной схемы каскада

на ОУ.

217

Рис. 4.52. ИнаертИР)'lOЩиl

усилительный хаскаА иа

операционном усилитenе

При более точном анализе усилительных устройств,

реализованных на ОУ, необходимо использовать полную эквивалентную схему ОУ, которая учитывает собствен­

ные шумы, приращение ;инфазного напряжения, а так­

же другие свойства и параметры реального ОУ.

Схема инвертирующего усилителя на ОУ изображе­

на на рис. 4.52. Входной сигнал от генератора с эдс Ег

и внутренним сопротивлением Rr поступает на инверти­ рующий вход ОУ. Кроме ТОГО, на инвертирующий вход

с помощью делителя RIR2 подается сигнал ОС. Неин­

вертирующуй вход ОУ заземлен. В общем случае иа­

пряжение на выходе ОУ будет зависеть как от коэффи­

циента усиления ОУ, так и от элементов цепи ОС.

Само название усилителя говорит о том, что входной

и выходной сигналы инвертирующего усилителя сдви­

нуты по фазе на 180°. Благодаря большому коэффициен­ ту усиления ОУ без ОС для изменения выходного напряжения во всем рабочем диапазоне достаточно весь­

ма малых значений напряжения на входных выво­

дах ОУ.

Если к инвертирующему входу ОУ от генератора снг­

нала подается положительное напряжение UJ, то ид ста­ новится положительным и выходное напряжение и2 сни­ жается, так как фаза сигна!'а на выходе ОУ меняется на 180°. Напряжение на выходе ОУ будет падать до тех

пор, пока напряжение на входных выводах ОУ не станет равным нулю. Таким образом, резисторы RJ и R2 явля­

ются как бы делителем между выходным и входным на­

пряжениями, а точка А считается потенциально зазем­

.nенноЙ или «виртуальной землей» [7, 20].

Так как резисторы RJ и R2 образуют делитель для вы­

ходиого и входного напряжений, то коэффициеит усиле­

ния инвертирующего услителя на ОУ с высокими па-

118

раметрами можно записать как отношение сопротивле­

ний этих резисторов

КВ = и,)и1 =- R.IR1•	(4.148)
Входное сопротивление инвертирующего	усилителя

с отрицательной ОС при идеальных параметрах ОУ рав­ но RI, так как благодаря отрицательной ОС и идеаль­ ным параметрам ОУ в точке А инвертирующего усилите­ ля будет нулевой потенциал. Следовательно, сопротив­

ление резистора RI не должно чрезмерно нагружать ис­ точник сигнала. Сопротивлени~ резистора R2 выбирается из соображений балансировки ОУ. Таким образом, сум­ ма сопротивлений RI и R2 зависит от напряжения смеще­ ния и разности входных токов. Она обычно находится

в пределах от 50 до 1000 кОм. Так оцениваются парамет­

ры инвертирующего усилителя, когда параметры ОУ близки к идеальным.

В случае реального ОУ, т. е. с ограниченным коэффи­

циентом усиления К при условии /ах=О, схема на рис. 4.52 описывается следующими уравнениями:

/1 =-lor; (U1 -Uд)/R1 =-(U,-UJ/R'J,'	(4.149)
Учитывая, что и2 =-кuд, получаем
U1/R1 +U2/KR 1 +U21R2 + U21KR2 = О.	(4.150)

Преобразуя (4.150), определяем коэффициент усиления

инвертирующего усилителя

Ки =- KR2/(R1 +KR1 + R2).			(4.151)
Если	числитель и знаменатель (4.151) разделить		на R1+
+R2,	то
КВ=_ KR.		/[1 + (t) KR1 ] .	(4.152)
	R1 +R.	R1 +R.

где К - коэффициент усиления ОУ без ОС.

Сравнивая (4.152) с выражением усилителя, охваченно­

го отрицательной ОС, можно установить, что фактиче­ ский коэффициент усиления Ки=КR2/(R,+R2), а коэф­ фициент передачи цепи ОС B=RI/R'J. Выражение для

фактического коэффициента усиления инвертирующего

усилителя с ОС используется при определении минималь­ ного значения К ОУ, необходимого для получения, на·

пример, коэффициента усиления инвертирующего усили­ теля с заданной ошибкой.

fl19

Пример .J.5. Определить с каким справочным значением коэффи­

циента усиления необходимо выбирать ОУ, чтобы 13 инвсртирующем усилителе он обеспечивал стабильность Iюэффицнента усиления не хуже 0,5 % при коэффициенте усиления УСИЛlJтеля 40 и сопротивле­ ниях резисторов R,=15 кОм и R2 =600 кОМ.

Найдем коэффициент передаЧII цетl ОС 11 необходимое Д.1Я дальнейших расчетов отношепие сопротивлений

В = I/Ки- = 0,025; R~/(Rl -+ R2 ) = 600/( 15 + 600) = 0,96.

Минимальное значение коэффициента усиления инвертируюшего уси­

лителя

Ки.мин = 40 - 0,2 = 39,8.

Подставим полученные значения в (4 152)

39 8 = К·О,96

,1 +к·о, 96·0,025

Тогда коэффициент усиления ОУ

39,8 к = О,96 (1 - о,025. 39 , 8) = 8300.

Если задать стабильность коэффициента усиления не ниже 0,1 %.

то необходимое значение коэффициента усиления ОУ должно быть не менее 42700. Следовательно, при разработке усилительных усг­ ройств на основе ОУ необходимо брать операционные усилители с возможно большим коэффициентом усиления К.

4.14.2. НЕИНВЕРТИРУЮЩИй

УСИЛИТЕЛЬ НА ОПЕРАЦИОННОМ

УСИЛИТЕЛЕ

Схема неинвертирующего усилителя. реализованного

на ОУ, показана на рис. 4.53. От генератора с ЭДС Ег сигнал подается на неинвертирующий вход ОУ. На ин­

вертирующий вход ОУ с помощью резисторов R, и R2 поступает сигнал ос. Коэффициент усиления напряжения

непнвертирующего усилителя жестко связан с сопротив-

!Otr	лениями резисторов R, и R2 •
	Входное сопротивление не­
	инвертирующего усилителя

Рис. 4.53. НеинвеНТИРУЮЩll1i уси­ nительный каскаД на операциои­

ном усилителе

220