Teoria_SURRT

перехода и достигает KU max rК ( RГ rБ rЭ RЭ ). Применительно к Т типа n- p-n (p-n-p) это составляет порядка 5000 (3000) [3]. Последовательная отрицательная ОС по току увеличивает входное и выходное сопротивления каскада, причем максимальное значение Rв ы х , соответствует условию RГ = 0, а минимальное (Rв ы х mi n = RК || rК ) – RГ , когда источником сигнала является гене-

ратор тока.

Как следует из малосигнальной Т-образной модели БПТ (см. подразд. 1.3), частотные свойства каскада с ОЭ в основном определяются зависимостью коэффициента передачи от частоты и ответвлением тока генератора I Б во входную цепь через емкость CК CК ( 1 ) (СК – емкость коллекторного пе-

рехода). Второй причине соответствует кажущееся увеличение емкости СК в (1+ ) раз – эффект Миллера. Для борьбы с ним применяют различные способы: включение Т по схеме с ОБ; уменьшение сопротивления источника сигнала; каскодное включение Т; использование дифференциального усилителя вместо каскада с ОЭ [8].

В случае реализации на ПТ функциональная схема каскада с ОИ содержит источники смещения ЕЗИ , питания ЕС и источник сигнала ЕГ с внутренним

	Rк	Eк		Rс	Eс
	Iк			Iс
I =I
вх	б
Eб	VT1	Uвых	Eзи	VT1	Uвых
	Rэ
				Uвх
Eг	Uвх		Eг
Rг			Rг
	а			б

Рис. 3.2. Каскады с ОЭ (а) и ОИ (б)

71

сопротивлением RГ (рис.3.2, б). Она характеризуется следующими параметра-

ми [3]:

KU U в ых	EГ S RC Ri	( RC Ri ) S RC 2U RC				,
			ICO нас IC		UЗИ отс
Rв х ,		Rв ых RC || Ri RC ,		(3.6)

где S, Ri – крутизна и внутреннее сопротивление ПТ;

UR C – падение постоянного напряжения на сопротивлении RC нагрузки; UЗ И о т с – напряжение отсечки;

IС О н а с – ток насыщения стока при UЗ И = 0; IС – рабочий ток стока.

Значение параметра KU в схеме с ОИ в 2…50 раз меньше аналогичного в схеме с ОЭ, так как |UЗ И о т с | >> m T . Достоинство каскада с ОИ – очень большое входное сопротивление. Формулы (3.6) справедливы в области нижних и средних частот. Расчет в области высоких частот основывается на полной малосигнальной модели ПТ.

3.3. Каскады с ОК и ОС

В качестве буферного элемента и элемента с повышенной нагрузочной способностью используется каскад с ОК (эмиттерный повторитель), функциональная схема которого содержит источники смещения ЕБ , питания ЕК и источник сигнала ЕГ с внутренним сопротивлением RГ (рис. 3.3, а). Он, подобно каскаду с ОЭ, характеризуется в диапазоне нижних и средних частот следующими параметрами [4]:

Rв х = Uв х

Iв х

r ( 1 )r ( r R ) ( r

r R ) ,

Б

K

Э

Э

K

Э

Э

R

( R r ) ( 1 ) || r r || R ,

вых

Г

Б

К

Э

Э

K (1 )( r

|| R ) R r (1 )( r || ( r R )) ,

U

K

Э

Г

Б

K

Э

Э

K

I

I

Э

I

Г

(1 )R r

(( R

R

)( r r

R

)) .

(3.7)

Г K

Г

в х

K

Э

Э

72

При этом максимально возможное входное сопротивление (в предположении RЭ >> rK ) равно Rв хmax ( 1 )rK rK . На практике в режиме холостого хода нагрузки (см. рис. 3.3, а) при RЭ 10 кОм можно получить величину Rв х порядка сотен килоом. На значение Rв х существенно влияет базовый делитель, отнесенный в рассматриваемой схеме к сопротивлению RГ источника сигнала. Особенность эмиттерного повторителя – снижение входного сопротивления при коротких импульсах или на высоких частотах, что объясняется подключе-

нием	в		эквивалентной схеме параллельно			сопротивлению RЭ			емкости
C C	К	( 1 ) и емкости СН нагрузки, а также инерционностью процессов в
К
базе Т.
На			практике	сопротивления r и	RЭ	намного		превышают	величину
				K
( RГ rБ			) ( 1 ).	Поэтому Rв ых rЭ ( RГ	rБ ) ( 1 ) ,			а в случае работы от
низкоомного источника и при больших значениях							Rв ы х rЭ . Важно, что вы-

ходное сопротивление зависит от сопротивления источника сигнала. Последнее при малой величине rЭ (у мощных Т) может играть определяющую роль. В предельном случае при RГ Rв ы х = Rв ы х ma x RЭ || rК . Что касается коэф-

фициента усиления (передачи) по напряжению, то он тоже существенно зави-

			Rк	Eк
	I =I	Iк					Eс
	вх	б				VT1
E				Uвых	Eзи
			Rэ			Iи
	б	U
E		вх			E	Rи
	г						Uвых
					г
Rг					Rг

а

б

Рис. 3.3. Каскады с ОК (а) и ОС (б)

73

сит от сопротивления RГ и достигает наибольшего значения при RГ = 0. Величину KU принципиально ограничивает сопротивление rK . В предельном случае при RГ 0 и RЭ KU = KU ma x = rK ( rK rБ ) , что составляет 0,9995 и больше. Максимальное значение коэффициента KI усиления по току равно (1+ ) и соответствует условию RГ .

Эмиттерный повторитель обеспечивает большое усиление по току, обладает малым выходным и большим входным сопротивлениями. По сравнению с каскадом с ОЭ он работоспособен при значительно больших входных сигналах: потенциал эмиттера “следит” за потенциалом базы, который может изменяться примерно от нуля до ЕК. Согласно выражению (3.7) для коэффициента KU нелинейность амплитудной характеристики обусловлена изменениями па-

раметров и r и при больших значениях RГ не превышает единиц процентов.
				K
В случае реализации на ПТ (рис.3.3, б) истоковый повторитель обладает
следующими параметрами [3]:
Rв х (1 SRИ Ri ( RИ Ri					)) RЗИ RЗС ,
Rв ых RИ || Ri				|| (1 S ) (1 S ) |UЗИ отс | ( 2
								IС IСO нас ) ,
K U	вых	E	Г	( 1 ( R R ) ( SR R ) ) 1			K		( 1 K ),		(3.8)
U				И	i	И i		US		US

где KUS 2URИ ICO нас IC UЗИ отс ;

UR И – падение постоянного напряжения на сопротивлении RИ ; S, Ri , RЗ И , RЗ С – параметры малосигнальной модели ПТ.

Параметр KUS , называемый иногда усилением холостого хода, имеет небольшие значения. Поэтому величина коэффициента KU существенно меньше, чем в эмиттерном повторителе, и находится в пределах 0,7…0,9. Дополнительно, вследствие меньшей крутизны S значительно большим оказывается выходное сопротивление Rв ы х [3].

74

3.4. Каскад с ОБ

Для усиления широкополосных и высокочастотных сигналов, согласования с источником и нагрузкой, линейного суммирования сигналов и других целей часто используют каскад с общей базой, функциональная схема которого содержит источники смещения ЕБ, питания ЕК и источник сигнала ЕГ с внутренним сопротивлением RГ (рис.3.4). Он, подобно каскаду с ОЭ, характеризуется в диапазоне нижних и средних частот следующими параметрами [4]:

Rв х = rЭ ( 1 )rБ ,

Rв ых ( rK ( 1 rБ ( RГ rБ rЭ ) ))|| RK ,

KU Uв ых	EГ RK ( RГ rЭ ( 1 )rБ ) ,
KI I K I Г	RГ ( RГ rЭ ( 1 )rБ ) ,	(3.9)

где , rБ , rЭ , rК – параметры малосигнальной модели БПТ в схеме с ОБ.

Очевидно, входное сопротивление каскада примерно в (1+ ) раз меньше, чем в схеме с ОЭ (без последовательной ОС). Коэффициент KU усиления прямо пропорционален сопротивлению RК нагрузки и может быть большим, при этом выходной сигнал не изменяет полярность. В случае RГ 0

KU RK rЭ I K RK ( m T ) U RК ( m T ),

где UR К – падение постоянного напряжения на сопротивлении RК .

При заданной рабочей точке схема с ОБ обеспечивает стабильную передачу то-

ка (KI 1), большое усиление по на-		I =I	э	VT1	I	к
пряжению, малое входное и боль-		вх
шое выходное сопротивления. Имея Rг						Rк	E
примерно одинаковые со схемой с		Uвх					к
	Eг
ОЭ значения KU , каскад с ОБ отли-				Eб
чается от нее лучшими частотными							Uвых

свойствами вследствие отсутствия

эффекта Миллера [3].

Рис. 3.4. Каскад с ОБ

75

3.5. Каскад с параллельной ОС по напряжению

В качестве простого элемента линейного сложения сигналов и согласования с источником и нагрузкой применяют схему управляемой параллельной ОС по напряжению (рис.3.5), обладающую следующими параметрами [3]:

K U

вых

E

Г

( R R K ) 1 R R

,

U

Г

N

N

Г

Rв х RГ K( RN || ( rЭ )) RГ ,

Rв ых KU ( RГ

rЭ ) RN

( RГ S ) ,

(3.10)

где K ( r

R

) ( ( R

|| R

|| r

));

Э

Г

К

N

K

, rЭ , S,

r – параметры Т.

Rк

Eк

К

RN

Посредством сопротивления RN часть то-

Rг

ка, пропорциональная напряжению Uв ы х ,

VT1

отводится на вход. По сравнению с кас-

Uвых

кадом с ОЭ, рассматриваемая схема име-

Eг

ет меньшие входное и выходное сопро-

тивления. Величина KU устанавливается

выбором соответствующих значений RN

Рис. 3.5. Схема управляемой

и RГ . Сопротивление RN уменьшает пара-

параллельной ОС

зитное влияние

емкости

коллекторного

по напряжению

перехода Т на высоких частотах.

3.6. Каскодная схема

В ТВ схемотехнике, особенно в ИС, для преобразований сигналов помимо простых элементов широко используют комбинированные элементы, важнейшими из которых являются каскодная схема и дифференциальный усилитель.

Функциональная схема каскодного включения на БПТ содержит источники смещения ЕБ1, ЕБ2 и питания ЕК , устанавливающие режим работы по по-

76

стоянному току, а также источник сигнала ЕГ (рис.3.6, а). База Т VT2 по переменному току имеет нулевой потенциал. Т VT1 работает по схеме с ОЭ, Т VT2

– с ОБ. Такое включение характеризуется следующими параметрами [3]:

Rв х Rв х1 S m T IK ,

Rв ых RК ,
KU Uв ых		EГ SRК	U RК	( m T ) ,	(3.11)
где Rв х , Rв ы х , KU – входное и выходное сопротивления и коэффициент усиле-
ния по напряжению каскодной схемы; , S – параметры Т VT1 и VT2.
Т VT1 работает на малое
входное	сопротивление		Т
VT2. Его коэффициент KU1
усиления	по	напряжению			C
примерно равен 1, из-за чего					VT2
влияние эффекта Миллера от-
сутствует. Каскодное включе-				З	VT1
ние совмещает		достоинства
схем с ОЭ и ОБ, обеспечивая					И
большое входное сопротивле-
ние , малую входную емкость				а	б
и высокие значения коэффи-
циентов KU и KI . Вследствие				Рис. 3.6. Каскодная схема

того что KU1 1, шум Т VT2 примерно такой же, как у Т VT1.

Каскодное соединение двух ПТ эквивалентно ПТ с параметрами [3]

S S1 ,		CЗИ CЗИ 1 2CЗС 1 ,
CЗC CЗC1	( S1Ri1 ) CЗС1 ,	CCИ CЗС 2 ,	(3.12)

где S1, СЗ И 1 , СЗ С 1 , Ri 1 (СЗ С 2 ) – параметры эквивалентной схемы Т VT1 (VT2). Рассматриваемая схема, реализованная в виде истокового повторителя,

обеспечивает весьма малую входную емкость СЗ И 0,1 пФ, так как емкость СЗ И 1 снижается пропорционально усилению обратной связи KUS = 1+S1 RИ (RИ

77

– сопротивление, подключаемое к истоку Т VT1), а величина СЗ С 1 пренебрежимо мала вследствие S1 Ri 1 >> 1. Помимо усиления широкополосных (высокочастотных) сигналов схема пригодна также для реализации высокоомных ГСТ. Регулирование тока выполняют изменением постоянного напряжения UЗ И . Выходное сопротивление такого ГСТ с учетом сопротивления RИ в цепи истока равно Rв ых Ri 2 ( 1 S2 Ri1( 1 S1RИ )) . Поскольку Т VT1 и VT2 одинаковы

и работают на одном токе, то Ri 1 = Ri 2 , S1	= S2	и R	SR2	( 1 SR ). По сравне-
		в ых	i	И
нию с ГСТ на одном ПТ сопротивление	Rв ы х можно увеличить в 50… 200 раз.

3.7. Дифференциальный усилитель

Все большую роль в ТВ схемотехнике играет дифференциальный усилитель (ДУ), используемый для усиления (наиболее часто), модуляции, детектирования (преобразования частот) и других обработок сигналов (в сочетании с ГСТ).

По основному назначению ДУ применяют для усиления разности напряжений Uв х 1 и Uв х 2 входных сигналов, причем в идеальном случае выходное напряжение не зависит от абсолютных уровней Uв х 1 и Uв х 2 , а определяется только их разностью (рис. 3.7, а). Одновременное изменение уровней сигналов на обоих входах называют синфазным. Дифференциальный (разностный) входной сигнал называют также нормальным или полезным. Хороший ДУ обладает высоким коэффициентом Ко с с ослабления (подавления) синфазного сигнала, равным отношению выходных уровней полезного и синфазного сигналов при их одинаковых уровнях на входе. Диапазон значений синфазного сигнала определяет допустимые уровни напряжения, в пределах которых должен изменяться входной сигнал. Если напряжение на выходе снимается с коллектора одного из Т (относительно общей точки), то такой ДУ называют схемой с однополюсным выходом или разностным усилителем.

Коэффициент усиления ДУ при подаче сигнала на первый (второй) вход, заземлении второго (первого) входа по переменному току, съеме полезного на-

пряжения с	первого либо второго выходов определяется как
Ксб1( 2 ) Uв ых1( 2 )	Uв х1( 2 ) , Ксс1( 2 ) Uв ых2( 1 ) Uв х1( 2 ) . Очевидно, при условии полной

78

симметрии схемы (RK 1 = RK 2 , VT1 ~ VT2) Ксc1 Ксc 2 К сc и Ксб1 Ксб 2 Ксб , причем параметр Ксб является коэффициентом усиления каскада с ОЭ, а К сc –

произведением коэффициентов усиления каскадов с ОК и ОБ. С учетом этого, используя формулы (3.5), (3.7) и (3.9), при дополнительном условии RK ( Э ) <<

rK и rБ ( Э ) << rK можно получить [2]:

R	к1	Rк2		Ек1
VT1		Uвых2		VT2
Uвых 1
Uвх1		0		U
				вх2
Rэ		R0	Rэ

Ек2

а

Сн

Rк

Rк

Сн

Ек1

VT1

Uвых 2

VT2

Uвых1

Uвх2

Uвх.д

Rэ

Rэ

I0

Ек2

б

Рис.3.7. Дифференциальный усилитель на БПТ

79

Ксс RК ( ( rЭ RЭ )( 2 )),
Ксб RК (1 ) ( ( rЭ RЭ )( 2 )) ,	(3.13)

где ( RЭ rЭ ) R0 ;

, rБ , rЭ , rК – параметры эквивалентной схемы Т VT1 (VT2).

Откуда следует, что при RЭ rЭ R0 ( 0 ) Ксc | Ксб |, т.е. при использовании двух выходов образуется квазиидеальный фазоинверсный каскад. В случае ограниченного сопротивления R0 выходные напряжения отличаются в | Ксб Ксc | 1 раз. Для их выравнивания вместо R0 используют ГСТ.

При съеме выходного напряжения между коллекторами Т VT1 и VT2 (двухполюсный выход) модуль коэффициента усиления по напряжению составляет | KU | |Uв ых1 Uв ых2 ||Uв х1( 2 ) | Ксс | Ксб | – удваивается. Входное сопротивление ДУ по сигнальному входу определяется с учетом (3.5) в виде

Rв х rБ ( 1 )( rЭ RЭ R0 || ( rЭ RЭ )) 2( 1 )( rЭ RЭ ).

Если ДУ работает в режиме дифференциального входного сигнала, то Uв х 1 0 и Uв х 2 0. Полагаем также, что Т VT1 и VT2 находятся в линейном режиме (см. рис.3.7, а). Тогда по принципу линейной суперпозиции [2]

Uв ых1 КсcUв х2 КсбUв х1 , Uв ых2 КсcUв х1 КсбUв х2 . (3.14)

При 0 Ксc Ксб и Uв ых1 Ксc (Uв х2 Uв х1 ) , U в ых2 Ксc (Uв х1 Uв х2 ) –

на выходах образуются усиленные (точные) разности входных напряжений. При двухполюсном (дифференциальном, симметричном) выходе напря-

жение сигнала Uв ыхд (Uв ых1 Uв ых2 ) ( Ксc Ксб ) (Uв х2 Uв х1 )	есть точная
усиленная разность входных напряжений даже при Ксc | Ксб |,	что вызвано

симметрией схемы. Кроме того, при дифференциальном выходе коэффициент усиления по напряжению одинаков при симметричном и несимметричном входах по сигналу. В случае симметричного выхода каскад нечувствителен к синфазным помехам, например наводкам фона с частотой 50 Гц, достигающим иногда единиц вольт и во много раз превышающим дифференциальное входное напряжение Uв хд (Uв х1 Uв х2 ). При однополюсном выходе, что часто применяется на практике, обеспечивается неточная разность. Например, при съеме с коллектора Т VT2

80