Осипов Базовые каскады електронных шем. Учебное пособие 2009
.pdfФедеральное агентство по образованию
Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»
А.К. Осипов
БАЗОВЫЕ КАСКАДЫ
ЭЛЕКТРОННЫХ СХЕМ
Учебное пособие
Москва 2009
УДК 621.382.049.77(075) ББК 32.852я7 О 74
Осипов А.К. Базовые каскады электронных схем. Учебное пособие. —
М.: НИЯУ МИФИ, 2009. — 84 с.
Рассмотрены базовые каскады полупроводниковых и микроэлектронных схем, в том числе операционных усилителей, построенные на биполярных и полевых транзисторах. Показано, как с помощью эквивалентных электротехнических схем транзисторов находятся основные параметры и характеристики усилительных каскадов. Приведены сведения об обратных связях, являющихся одним из основных методов стабилизации линейных усилителей. В приложениях даны примеры расчетов пассивных цепей, наиболее часто используемых в электронных схемах, и контрольные вопросы. Содержание учебного пособия соответствует программе курса «Электротехника, электроника и основы микроэлектроники».
Предназначено для студентов специальности «Вычислительные машины, комплексы, системы и сети», а также студентов, специализирующихся в области автоматики и физического эксперимента.
Рецензент д-р техн. наук, проф. Ю.А. Волков
Рекомендовано редсоветом НИЯУ МИФИ в качестве учебного пособия
ISBN 978-5-7262-1187-9 © Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», 2009
Оглавление |
|
Предисловие................................................................................................ |
4 |
Глава 1. Базовые каскады электронных схем........................................... |
6 |
1.1. Принципы действия усилительных каскадов.............................. |
6 |
1.2. Общие характеристики линейных усилителей.......................... |
11 |
1.3. Режим усилительного каскада .................................................... |
19 |
1.4. Каскады в области средних частот............................................. |
22 |
1.5. Переходные и частотные характеристики каскадов ................. |
30 |
Глава 2. Интегральные операционные усилители................................. |
35 |
2.1. Дифференциальный каскад......................................................... |
35 |
2.2. Каскады согласования уровней................................................... |
39 |
2.3. Выходные каскады....................................................................... |
42 |
2.4. Частотные характеристики операционного усилителя............. |
44 |
2.5. Применение операционных усилителей в аналоговых |
|
устройствах ................................................................................. |
48 |
2.5.1. Усилитель тока.................................................................. |
49 |
2.5.2. Суммирующий усилитель................................................ |
52 |
2.5.3. Неинвертирующий усилитель ......................................... |
53 |
2.5.4. Интегрирующий усилитель ............................................. |
54 |
Глава 3. Усилители с обратными связями.............................................. |
57 |
3.1. Классификация видов обратной связи ....................................... |
57 |
3.2. Последовательная отрицательная обратная связь по |
|
напряжению................................................................................. |
58 |
3.3. Усилители с положительной обратной связью.......................... |
62 |
3.4. Параллельная отрицательная обратная связь по току............... |
62 |
3.5. Последовательная отрицательная обратная связь |
|
по току ......................................................................................... |
64 |
3.6. Параллельная отрицательная обратная связь |
|
по напряжению............................................................................ |
66 |
Приложение 1. Методы анализа и расчета электронных схем............. |
69 |
Приложение 2. Контрольные вопросы ................................................... |
79 |
Список литературы................................................................................... |
81 |
3
Предисловие
Внастоящем учебном пособии рассматриваются принципы действия простейших усилительных каскадов на биполярных и полевых транзисторах, их основные параметры и характеристики. Эти каскады являются базовыми как в полупроводниковой (на дискретных элементах), так и в микроэлектронной технике. Вместе
стем, как показывает многолетняя практика, этот раздел курса «электротехника и электроника: основы микроэлектроники» является одним из наиболее трудных для студентов впервые профессионально знакомящихся с электроникой.
Впервой главе анализируются каскады в области средних частот. Кратко рассмотрены переходные и частотные характеристики. Предполагается, что читатель знаком с принципом действия, параметрами и характеристиками биполярных и полевых транзисторов, например, по книгам [1, 2]. В пособии используется Т-образная эквивалентная схема биполярного транзистора, традиционная для МИФИ; для полевых транзисторов принята П-об- разная эквивалентная схема. Внешние параметры усилителей находятся на основе анализа эквивалентных электрических схем, отражающих связь с физическими параметрами транзисторов, резисторов, конденсаторов. Анализ быстродействия схем проводится операторным методом [3, 4, 5]. В прил. 1 для справки приводятся некоторые сведения о нем. Анализ ограничивается, по сути дела, решением уравнений первой степени. Несмотря на определенную неточность, результаты расчета получаются достаточно наглядными, что очень важно на данном этапе обучения электронике.
Вторая глава пособия посвящена каскадам интегральных операционных усилителей, занимающих значительное место в современной аналоговой электронной технике. Рассматриваются структурные элементы, влияющие на внешние характеристики опера-
4
ционных усилителей: дифференциальные и выходные каскады, каскады согласования уровней. Наконец, на основе простой эквивалентной схемы операционного усилителя анализируются несколько наиболее употребительных усилительных схем.
В третьей главе пособия рассматриваются вопросы использования обратных связей, являющихся одним из основных методов улучшения качественных показателей усилителей. При этом автор стремился изложить материал в наиболее простом и наглядном виде, несмотря на неизбежные в этом случае неточности.
Для самопроверки в прил. 2 сформулированы контрольные вопросы по главам пособия.
5
Глава 1
Базовые каскады электронных схем
1.1.Принципы действия усилительных каскадов
Ваналоговых и цифровых микросхемах используется способность биполярных и полевых транзисторов усиливать подаваемый на их вход сигнал. Различают усиление по мощности, напряжению
итоку. Рассмотрим принцип усиления сигнала на примере схемы, показанной на рис. 1.1. Здесь база биполярного транзистора является общей для входной и выходной цепей. Поэтому такое включе-
|
ние транзистора называется схе- |
|||
|
мой с общей базой (ОБ). Входной |
|||
|
сигнал Uвх создает на входе тран- |
|||
|
зистора ток эмиттера |
Iэ . В кол- |
||
|
лекторной цепи |
будет |
протекать |
|
Рис. 1.1 |
ток Iк , слабо |
отличающийся |
от |
|
|
тока эмиттера: |
Iк = αN Iэ , |
где |
|
обычно αN = 0,97 −0,99. Выходной сигнал снимается с нагрузоч- |
||||
ного резистора Rк . Он равен |
Uк = Rк Iк ≈ Rк Iэ . Легко видеть, |
|||
что в данной схеме ток не усиливается. Поэтому каскады усиления ОБ называют повторителями тока. Зато при достаточно большом сопротивлении резистора Rк (когда Uк >Uвх ) происходит уси-
ление напряжения и мощности.
Транзистор является существенно нелинейным прибором. Для того чтобы он усиливал, эммитерный переход должен быть открыт, а коллекторный закрыт. Такой режим (область) работы транзистора называется нормальным активным. Он характерен прежде всего для линейных схем, где связь между входным и выходным сигна-
6
лами носит линейный характер. В нелинейных схемах транзистор работает в нормальной активной области во время переходного процесса. В стационарном состоянии транзистор может находиться в области отсечки, когда оба p–n перехода закрыты, в области насыщения, когда оба p–n перехода открыты. Используется также инверсная активная область, когда эммитерный переход закрыт,
аколлекторный открыт.
Вэлектронной схеме предусматриваются цепи смещения, которые обеспечивают соответствующую область работы транзистора, линейный или нелинейный режимы. К цепям смещения предъявляется требование необходимой стабильности выбранного режима. Отдельные каскады схемы соединяются непосредственно (гальванически) или через разделительные конденсаторы и трансформаторы. В ИС применяется главным образом гальваническая связь. Разделительные конденсаторы, занимающие много места в кристале ИС, не используются.
Наряду со схемой ОБ биполярный транзистор включается по схеме с общим эммитером (ОЭ) и с общим коллектором (ОК).
Полевые транзисторы имеют также три схемы включения: с общим затвором (ОЗ), с общим истоком (ОИ), с общим стоком (ОС).
Схемы выполняются на биполярных n–p–n и p–n–p транзисторах, на полевых транзисторах как с каналом n, так и p-типа.
На рис. 1.2,а показана простейшая схема включения транзистора
ОЭ. С помощью резистора Rб задается ток базы Iб , резистором Rк при заданном токе базы (а следовательно, и токе коллектора) задается потенциал коллектора. Входной сигнал подается через разделительный конденсатор С1, нагрузка Rн подключается через
разделительный конденсатор С2. Выбор базового тока иллюстрируется рис. 1.2,б. Рабочая точка А определяется пересечением входной характеристики транзистора с так называемой нагрузочной прямой, уравнение которой Uбэ =Uип −Iб Rб . На рис. 1.2,в по-
казан выбор той же рабочей точки в плоскости выходных ВАХ транзистора Iк = f (Uкэ). Рабочая точка определяется пересече-
нием выходной ВАХ для заданного тока базы с нагрузочной прямой, описываемой уравнением
Uкэ =Uип −Iк Rк .
7
а) |
б) |
в)
Рис. 1.2
При подаче на вход усиливаемого сигнала изменяется напряжение Uбэ и ток базы Iб , а вслед за ними ток коллектора. Для переменного тока конденсатор С2 представляет малое сопротивление. Поэтому переменная составляющая тока Iк распределяется между сопротивлением Rк и нагрузкой Rн . Для переменной составляющей напряжения Uк =Uн эти сопротивления оказываются вклю-
ченными параллельно. На рис. 1.2,в показано расположение так называемой динамической нагрузочной прямой (пунктир). Ее на-
8
клон определяется параллельным соединением Rк || Rн . С увели-
чением входного напряжения выходное напряжение уменьшается. Таким образом, каскад изменяет фазу входного сигнала на 180°. Он усиливает как мощность и напряжение, так и ток.
Недостатком рассмотренной схемы является недостаточная стабильность режима. На рис. 1.3 показана схема ОЭ, где режим стабилизируется с помощью резистора Rэ . Здесь и в дальнейшем ис-
точник сигнала представлен в виде ЭДС Uг и сопротивления Rг . Потенциал базы задается делителем R1–R2. Но наличие Rэ ухудшает коэффициент усиления напряжения. Поэтому Rэ закорачивается по переменному току конденсатором Сэ , называемым блоки-
рующим. Он «соединяет» эмиттер транзистора с общей шиной — «землей». Стабилизация режима осуществляется также с помощью цепей термокомпенсации: терморезисторов, дополнительных диодов, транзисторов (см. П. 2.3).
Рис. 1.3 |
Рис. 1.4 |
На рис. 1.4 показана схема с общим коллектором (ОК). Исходный режим транзистора задается так же, как в схеме ОЭ (рис. 1.3). Потенциал базы определяется источником питания и резистивным делителем R1–R2. Потенциал эмиттера ниже потенциала базы на величину напряжения Uбэ ≈ 0,5 −0,6 В, которое мало меняется при
9
подаче входного сигнала. Поэтому ток эмиттера Iэ = |
Uб −Uбэ |
оп- |
|
|
|||
|
Rэ |
|
|
ределяется напряжением Uип и сопротивлениями |
R1, |
R2, |
Rэ . |
Входное напряжение переменного тока изменяет ток |
Iэ |
и напря- |
|
жение на сопротивлении Rэ . Это напряжение передается через разделительный конденсатор С2 на нагрузку Rн . Увеличение входно-
го напряжения соответствует увеличению напряжения на нагрузке, т.е. фазы входного и выходного сигналов совпадают. Амплитуда выходного сигнала чуть меньше амплитуды входного сигнала, поэтому каскад ОК называют эмиттерным повторителем — он не усиливает, а повторяет входное напряжение. Но каскад ОК усиливает ток и мощность, обладает большим входным и малым выходным сопротивлениями, широко используется во входных и выходных цепях многокаскадных усилителей.
На рис. 1.5,а представлена схема с общим истоком (ОИ). Режим транзистора задается с помощью резисторов Rз , Rи , Rс . Конден-
саторы С1, С2 являются разделительными, конденсатор Си — бло-
кирующим. Напряжение |
между затвором и истоком равно: |
Uзи = Iз Rз − Iи Rи , где Iз |
— ток затвора; Iи — ток истока. |
а) |
б) |
Рис. 1.5
10