176

Вследствие глубокой ООС для синфазного сигнала входное сопротивление ДК этому сигналу очень велико, оно записывается в виде:

Учитывая принципиальную схему ДК, эквивалентную схему для входного сопротивления каскада с учетом как синфазного, так и дифференциального сигнала можно изобразить так, как представлено на рис.4.32, где Б₁ и Б₂ – базовые выводы транзисторовVT1,VT2.

Выходное сопротивление ДК на несимметричном выходе и при возбуждении его дифференциальным сигналом :

.

Сопротивление выхода для синфазного сигнала ввиду наличия глубокой последовательной ООС по току будет, очевидно, существенно больше Z_ВЫХ(н), поскольку это сопротивление включено параллельно , то его можно не учитывать. На симметричном выходе: .

Дифференциальный каскад на полевом транзисторе-рис.4.29 является аналогом ДК с биполярным транзистором, его коэффициенты передачи, входное и выходное сопротивления могут быть без труда записаны на основе выражений, полученных ранее для ДК с биполярными транзисторами.

К дифференциальным каскадам, используемым в операционных усилителях, помимо значительного подавления синфазной составляющей входных сигналов, предъявляются требования достижения большого коэффициента усиления и входного сопротивления для дифференциального сигнала. Вследствие этого в таких каскадах вместо обычных транзисторов иногда применяют транзисторы с очень тонким базовым слоем (супербета-транзисторы). Для повышения коэффициента К_о используют также составные транзисторы, включенные по схеме ОК-ОК (схема Дарлингтона) и ОЭ-ОК. Все эти и другие схемотехнические особенности дифференциальных каскадов, а также использование его в качестве многофункционального устройства будут рассмотрены далее в главах, посвященных интегральным схемам и операционным усилителям.

4.5. Каскодная схема

Каскодная схема представляет собой в сущности двухкаскадный усилитель, где первый усилительный элемент включен с общим эмиттером (истоком), а второй, с которого снимается усиленный сигнал, с общей базой (затвором). По отношению к источнику питания усилительные элементы каскодной схемы могут быть включены как последовательно, так и параллельно. Вариант с последовательным соединением приведен на рис.4.33.

VT2

R₁

R₂

R₁

C

Достоинством каскодной схемы является практически полная независимость её входного сопротивления от изменения нагрузки, это влияние в области высоких частот примерно в 100-1000 раз меньше, чем у резисторного каскада .

Рис.4.33

U₂

Это свойство каскодной схемы практически устраняет реакцию нагрузки в выходной цепи на входную цепь. Каскодная схема имеет примерно такой же коэффициент усиления в области средних частот, как и резисторные каскады и незначительно увеличивает площадь усиления. В каскодной схеме каскад с транзистором VT2, включенный с общим эмиттером, нагружен на низкоомную входную цепь транзистора VT1, который включен с общей базой. Вследствие этого каскад на транзисторе VT2 практически не усиливает напряжение и поэтому имеет малую входную динамическую емкость.

Найдем коэффициент передачи напряжения этой схемы, представив выходные цепи усилительных элементов в виде генераторов напряжения в эквивалентной схеме- рис.4.34.

И

з схемы рис.4.34 следует, что напряжение управления транзистора VT1 -U_У, равно напряжению , развиваемому выходной цепью транзистораVT2, за вычетом падения напряжения на его внутреннем сопротивлении :

U_У=μ₂U₁-I R_i(2) .

Поскольку транзистор VT2 в области средних частот изменяет фазу усиливаемого сигнала на по отношению к напряжению U₁, то управление транзистора VT1 сигналом U_У оказывается синфазным с управлением транзистора VT2 и поэтому на схеме рис.4.33 напряжения генераторов μ₂U₁ и имеют одинаковое направление.

Из схемы рис.4.34 имеем:

Подставляя сюда U_Y, получим:

Обычно: и, кроме того,

, тогда приближенно:

,

где S₀(2)-крутизна транзистора VT2

Таким образом, коэффициент усиления каскодной схемы приближенно равен коэффициенту усиления однокаскадного устройства, крутизна которого равна крутизне транзистора VT2, а нагрузкой является сопротивление R_H.

Коэффициент усиления напряжения, определяемый транзистором VT2:

Полагая, что μ₁>>1, μ₂=S₀(2)R_i(2) и R_H<<R_i(1)~R_i(2), последнее выражение можно привести к виду: ,

где S₀(1)-крутизна транзистора VT1.

Следовательно, этот коэффициент близок к единице. Поэтому входная динамическая емкость каскодной схемы может быть записана в виде:

.

Эта емкость оказывается меньше по сравнению с входной динамической емкостью резисторного каскада и практически не отличается от входной емкости транзистора VT2 при коротком замыкании его выходной цепи.

4.6. Оконечные каскады

В любом усилительном каскаде мощность сигнала на выходе больше, чем на входе. Однако специфические условия работы оконечных каскадов приводят к тому, что их исследование и расчет оказываются существенно различными по сравнению с каскадами предварительного усиления.

Если положить, что входной сигнал достаточно мал, то величины приращений токов и напряжений во входной и выходной цепи каскада предварительного усиления оказываются существенно меньше их стационарных величин. Удобно ввести относительную меру этих приращений, например, для выходной цепи:

,

которые называют коэффициентами использования усилительных элементов по напряжению и току.

Таким образом, в каскадах предварительного усиления указанные коэффициенты весьма малы, еще меньшим будет их произведение:

, при U₂₀~ E_П,

где - мощность, снимаемая с усилительного элемента при синусоидальном входном сигнале; Р₀ – мощность, потребляемая выходной цепью от источника питания.

Следовательно, в каскадах предварительного усиления КПД незначителен. Для увеличения при выбранном типе усилительного элемента необходимо увеличивать приращение токов и напряжений, т.е. повышать значения коэффициентов . Вследствие нелинейности вольтамперных характеристик усилительных элементов максимальные значения и ограничены. Ограничена, следовательно, и величина максимальной мощности, снимаемой с усилительного элемента.

Каскад, в котором усилительный элемент работает при значениях , близких к предельным и, следовательно, снимаемая с него мощность близка к , называется каскадом усиления мощности или оконечным каскадом.

Таким образом, специфика оконечных каскадов связана с работой усилительного элемента, когда используется большая по сравнению с каскадами предварительного усиления часть его выходных вольтамперных характеристик, включая заведомо их нелинейные участки. В этом случае усилительный элемент искажает форму сигнала. Допустимый уровень нелинейных искажений выходного сигнала ограничивает дальнейшее, более полное использование усилительных элементов по мощности. При этом расчет каскада с использованием линейных эквивалентных схем активных элементов дает заведомо неверные результаты. Оконечные каскады исследуют и рассчитывают для области средних частот (средних времен), используя входные и выходные ВАХ усилительных элементов.

Исследованию и расчету при этом подлежат основные энергетические показатели каскада, к которым относятся: - мощность, снимаемая с усилительного элемента; - мощность, отдаваемая в нагрузку; - мощность, потребляемая от источника питания; - коэффициент полезного действия усилительного элемента и каскада, соответственно; - тепловая мощность рассеяния на выходном электроде усилительного элемента.

Для оконечных каскадов с биполярными транзисторами ввиду потребления ими заметной мощности во входной цепи иногда целесообразно использовать дополнительный энергетический показатель – коэффициент усиления номинальной мощности: , где - номинальная мощность, отдаваемая каскадом в нагрузку; - мощность, которую при этом потребляет каскад от источника сигнала.

Важным показателем оконечного каскада является также коэффициент нелинейных искажений выходного сигнала -. Сопротивление нагрузки оконечных каскадов невелико и может составлять единицы и десятки Ом. Непосредственное включение такой нагрузки в выходную цепь транзисторов часто приводит к малой величине и вследствие этого малой отдаваемой мощности и КПД каскада. Для повышения этих показателей иногда применяют согласующие, понижающие трансформаторы, включаемые между нагрузкой и усилительным элементом.

Элементарная теория трансформаторов низкой частоты показывает, что приведенное в первичную цепь сопротивление нагрузки в области средних частот будет , где - коэффициент трансформации; - число витков его вторичной и первичной обмотки.

С учетом сопротивлений постоянному току первичной и вторичной обмоток уточненное приведенное сопротивление первичной обмотки определяется формулой:

(4.23)

Вследствие выделения мощности на сопротивлениях , не вся снимаемая с выходного электрода транзистора мощность трансформаторного каскада поступает в нагрузку, поэтому:

,

где - коэффициент полезного действия трансформатора.

Однако применение трансформатора в интегральных схемах нежелательно, т.к. его использование увеличивает габариты, вес и стоимость изделия.

Если усилительный элемент работает в течение полного периода входного сигнала – режим класса А– то, как будет показано ниже, КПД каскада не может превышать 50%, а в действительности имеет много меньшую величину – порядка 5%. При отдаваемой мощности около одного и более ватт такой режим будет неэкономичным. Для повышения КПД каскада в этих случаях применяют более экономичные режимы, при которых усилительный элемент работает, например, в течение половины периода входного сигнала – режим класса В и т.п. Для уменьшения возникающих при этом повышенных нелинейных искажений приходится использовать специальные двухтактные схемы. Следует заметить, что двухтактные схемы широко используются в оконечных каскадах, как при непосредственном, так и трансформаторном включении нагрузки, а также при любых режимах работы усилительных элементов.

Режим класса А. Основные энергетические показатели

однотактного и двухтактного каскадов

Однотактный каскад

Принципиальная схема каскада без согласующего трансформатора совпадает со схемой обычного резисторного каскада. Если допустимо прохождение стационарного тока через сопротивление нагрузки, то нагрузка включается в выходную цепь усилительного элемента непосредственно, если же это делать нельзя, то включается через разделительный конденсатор , так, как это выполняется в каскадах предварительного усиления.

U₁

Рис.4.35

Принципиальная схема каскада с согла­сующим трансформа­тором приведена нарис.4.35. На рис.4.36 приведены выходные характеристики усили­тельного элемента. Стационарный режим выходной цепи , определяется в месте пересечения кривой с прямой, выходящей из точки под уг­лом:

(4.23^/)

к оси абсцисс.

В выражении (4.23) r₁- сопротивление коллекторной цепи постоянному току- т.е. сопротивлению первичной обмотки трансформатора. Нагрузкой каскада переменному току является сопротивление R_~ В трансформаторном каскаде оно определяется выражением (4.23). Линия нагрузки переменного току проходит через точки: 1, 0 и 2 под углом к оси абсцисс.

Рис.4.35

Основные энергетические показатели каскада определяются с использованием линии нагрузки переменному току. Пусть точка 1 соответствует максимальному значению амплитуды входного гармонического сигнала, ток I₂ при этом будет максимальным: I_AM+I₂₀ , а напряжение на коллекторе минимально:U₂₀-U_AM. Точка 2 соответствует минимальному значению амплитуды входного сигнала, при этом ток I₂ будет минимальным: I₂₀-I_AM, а напряжение на коллекторе максимально:U₂₀+U_AM. В режиме кл. А форма выходного сигнала мало отличается от формы входного сигнала, поэтому переменные составляющие выходного тока I₂(t) напряжения U₂(t) близки к синусоидальной функции. Тогда мощность, снимаемая с коллектора транзистора, будет:

. (4.24)

I₂

1

U_AM

^I_AM

O

I₁₀

I₂₀

^I_AM

U_AM

α₀

2

U₂₀ E_П

α

U_ост

U₂

Рис.4.36

При наличии трансформатора: . Таким образом, не вся мощность, снимаемая с коллектора транзистора, поступает в нагрузку, часть её теряется в трансформаторе.

Мощность, потребляемая каскадом от источника питания:

(4.25)

Коэффициент полезного действия:

(4.26)

поскольку Е_П~U₂₀.

При наличии трансформатора КПД каскада:

(4.26^/)

Коэффициенты увеличиваются при возрастании амплитуды входного сигнала, при его максимальной амплитуде (точки1-2 рис.4.36) коэффициент использования усилительного элемента по току меньше, но обычно близок к единице. Положив в (4.26^/) , получим:

(4.26 ^//)

Поскольку , из (4.26 ^//) следует, что КПД каскада в режиме класса А всегда меньше 50%. При уменьшении амплитуды сигнала КПД каскада падает. Исследования показывают, что статистическое среднее значение КПД оконечного каскада в режиме кл. А при входном сигнале с амплитудной модуляцией, обычно составляет 5-10%. Таким образом, режим класса А в отношении экономичности имеет существенный недостаток по сравнению с другими режимами и применяется в каскадах со сравнительно малой выходной мощностью порядка единиц ватт.

Мощность рассеяния на выходном электроде усилительного элемента будет:

(4.27)

Очевидно, эта мощность максимальна при отсутствии входного сигнала и минимальная при наибольшем сигнале. Для нормальной работы усилительного элемента необходимо, чтобы:

где - допустимая мощность рассеяния усилительного элемента. Для сравнительно маломощных транзисторов:

(4.27 ^/)

где - предельно допустимая температура p-n перехода транзистора; - нормальная температура окружающей среды; R_Т,П-С- тепловое сопротивление транзистора между коллектором и окружающей средой с размерностью ⁰С/Вт. При значении выходной мощности, составляющей единицы и десятки Вт приходится проводить тщательный расчет допустимой мощности рассеяния.

Величины , R_Т.П-С, указываются в справочниках. Для увеличения необходимо повысить переход тепла с коллектора транзистора в окружающую среду с помощью радиатора. при наличии радиатора определяется из формулы:

, (4.27^//)

где R_P-тепловое сопротивление радиатора.

В приложении 3, приводятся сведения по расчету тепловых сопротивлений радиаторов с учетом площади соприкосновения их с окружающей средой. Там же приведена и тепловая модель транзистора с радиатором. На рис.4.37 приведены графики зависимости в функции коэффициента ζ_Н для однотактного каскада в режиме кл А. Из за наличия остаточного напряжения на коллекторе коэффициент ξ_Н(макс) всегда меньше единицы.