Н.А. Резниченко Исследование полупроводниковых усилителей

10

Схема усилителя на составном транзисторе

В усилителях на дискретных элементах и в интегральных микросхемах применяются составные транзисторы, представляющие собой комбинацию из двух каскадно включенных транзисторов. Чаще других используют комбинацию эмиттерных повторителей, известную под названием схемы Дарлингтона (рис.7). Как видно из схемы, составной

Рис.7. Схема эмиттерного повторителя (схема Дарлингтона)

транзистор имеет три вывода, эквивалентные эмиттеру (Э), базе (Б) и коллектору (К). Поэтому его можно рассматривать как единый транзистор, обладающий определенными параметрами, основными из которых являются:

коэффициент усиления по току

h21 = h21,1 h21,2 ,

(6)

где h21,1, h21,2 – коэффициенты усиления по току соответственно транзисторов VT1, VT2;

11

резистивный параметр

h11 = h11,1+(1+ h21,1) h11,2,

(7)

где h11,1, h11,2 – входные сопротивления соответственно VT1, VT2. Анализ изменений основных параметров эмиттерного повторите-

ля на составном транзисторе по формулам (6), (7) показывает, что он имеет более высокое входное и более низкое выходное сопротивления по сравнению с одиночным использованием транзистора.

Схема каскодного резисторного усилителя

При необходимости расширить полосу пропускания в область высоких частот и иметь при этом большой коэффициент усиления используют каскодные усилительные каскады. Одной из разновидностей схем последовательного включения каскадов усилителя является каскодная схема, в которой в первом каскаде транзистор VT2 включен по схеме с ОЭ, а во втором (транзистор VT1) – по схеме с ОБ. Принципиальная каскодная схема резисторного усилителя показана на рис. 8.

h – параметры каскодной схемы выражаются через h – параметры составляющих ее транзисторов следующим образом:

входное сопротивление схемы h11= h11э;

обратный коэффициент передачи напряжения с выхода на вход

h12= =h12э h12б ≈10-7;

коэффициент передачи тока h21= h21э h21б ≈ h21э; выходная проводимость h22 = h22б.

В приведенных формулах h11э, h12э, h21э – соответствующие параметры для схемы с ОЭ при малых сигналах, h11э, h12э, h21э – соответствующие параметры для схемы с ОБ при малых сигналах. Таким образом, входное сопротивление каскодной схемы равно входному сопротивлению схемы с ОЭ, а выходное – выходному сопротивлению схемы с ОБ. Коэффициент усиления тока такой же, как у схемы с ОЭ, а обратная передача напряжения с выхода на вход схемы практически отсутствует. При одинаковых значениях сопротивления Rк у каскодного усилительного каскада и каскада с ОЭ ширина полосы пропускания у первого будет значительно больше, так как постоянная времени его вы-

Рис.8. Схема каскодного резисторного усилителя

ходной цепи τ = RкCк меньше соответствующей постоянной времени каскада с ОЭ.

При каскодном включении задается потенциал базы транзистора VT1, для чего в цепь базы включен конденсатор сравнительно большой емкости Сб. Статический режим каскада рассчитывается аналогично вышерассмотренному. Таким образом, в каскодном каскаде реализуются преимущества каскадов с ОЭ и ОБ – большой коэффициент усиления и высокое выходное сопротивление.

Если конденсатор Сб отключить от общей шины (см. рис.8) и соединить с источником напряжения Uвх2, то ток в цепи будет зависеть как от Uвх1, так и от Uвх2. Если статический режим работы транзисторов выбран так, что они работают на нелинейных участках характеристик, то при одновременном изменении Uвх1 и Uвх2 каскад будет осуществлять перемножение этих сигналов. В спектре выходного напряжения будут присутствовать составляющие, имеющие частоты (ω1+ω2) и (ω1- -ω2), амплитуды которых зависят от значений Uвх1 и Uвх2, а также комбинационные гармоники. Это свойство позволяет создавать на основе каскодной схемы перемножители (смесители) двух сигналов.

Каскодное включение позволяет:

13

1)получать высокое выходное сопротивление;

2)уменьшать влияние емкостей коллекторного перехода и при использовании тех же транзисторов выполнять усилительные каскады с лучшими частотными характеристиками;

3)создавать устройства, управляемые одновременно несколькими сигналами, которые могут выполнять функции перемножителей сигналов;

4)реализовывать преимущества различных схем включения транзисторов (схем с ОЭ и ОБ).

Усилительный каскад на полевом транзисторе с общим истоком

Полевой транзистор, имеющий три внешних вывода, может быть включен в усилитель по трем различным схемам: с общим истоком (ОИ), общим стоком (ОС) и общим затвором (ОЗ). Наиболее широкое применение на практике нашла схема с ОИ ( рис.9), аналогичная варианту схемы с ОЭ биполярного транзистора (см. рис.1).

Основное отличие состоит в том, что коэффициент усиления по напряжению схемы на полевом транзисторе задается параметрами Rc, Rи и крутизной стокозатворной характеристики

S = dIc /dUзи |Uси = const,

(8)

где Ic ,Uзи, Uси – ток стока, напряжения соответственно затвор-исток и сток-исток. Другое отличие связано с тем, что номиналы конденсаторов связи схем на полевых транзисторах гораздо меньше, чем в схемах с биполярными транзисторами вследствие того, что полевые транзисторы представляют собой потенциальные приборы с высоким полным сопротивлением (биполярные транзисторы являются токовыми приборами с низким полным сопротивлением).

На рис.9 показана схема усилительного каскада на полевом транзисторе с затвором в виде p-n-перехода, в которой используется один источник питания Eс. Входной и выходной конденсаторы (на схеме не показаны) предназначены для предотвращения протекания постоянного тока как во внешние схемы, так и из них. Использование шунтирующего конденсатора Си1(Си2), подключенного к резистору Rи, позволяет обеспечить температурную стабильность схемы по постоянно-

14

Рис.9. Схема усилительного каскада на полевом транзисторе с общим истоком (ОИ)

му току и в то же время получить высокий коэффициент усиления сигнала. Начальный режим работы полевого транзистора обеспечивается постоянным током стока I0с и соответствующим ему постоянным напряжением на стоке U0c.

Ток I0с в выходной (стоковой) цепи устанавливается с помощью источника питания Eс и начального напряжения смещения на затворе U0з отрицательной полярности относительно истока. В свою очередь, напряжение U0з обеспечивается за счет тока I0с, проходящего через резистор Rи в цепи истока, то есть U0з= I0с R , которое через резистор R прикладывается к затвору с полярностью, указанной на рис.9. Изменяя сопротивление Rи, можно изменять напряжение U0з и ток стока Iс.

Резистор Rи, кроме функции автоматического смещения на затворе, выполняет также функцию термостабилизации режима работы усилителя по постоянному току, стабилизируя I0с. Чтобы на этом резисторе не выделялось напряжение за счет переменной составляющей тока,

15

его шунтируют конденсатором Си, емкость которого определяют из соотношения

Си >> 1/ω Rи ,

(9)

где ω - угловая частота усиливаемого сигнала.

Сопротивление R, включенное параллельно входному сопротивлению усилителя, которое очень велико, должно иметь соизмеримое с ним значение.

Динамический режим работы полевого транзистора обеспечивается с помощью резистора Rс в цепи стока, с которого снимается переменный выходной сигнал при наличии входного усиливаемого сигнала. Обычно Rс<< R ≈Rвх. Поэтому, если нагрузкой усилительного каскада на полевом транзисторе является входное сопротивление аналогичного каскада усиления, то сопротивление нагрузки усилителя постоянной и переменной составляющих тока стока:

Rс0 ≈ Rс~ = Rс Rи /( Rс+ Rи).

(10)

При этом в пределах усиливаемых частот сопротивления разделительных конденсаторов во входной и выходной цепях усилителя незначительны.

Коэффициент усиления в области средних частот
КU =S Rс .	(11)

Усилительный каскад с ОИ меняет фазу усиливаемого сигнала на 1800 (как и в усилительном каскаде на биполярном транзисторе с ОЭ). Поэтому при воздействии на вход усилителя переменного входного сигнала uвх = uз = uзm sinω t напряжение выходного сигнала

uвых = - SоRс uзm sinω t,

(12)

где Sо − крутизна характеристики в рабочей точке (I0с , U0c). Усилительные каскады на полевых транзисторах благодаря их

большому входному сопротивлению (несколько МОм) широко применяют в качестве входных каскадов различных электронных устройств, источник входного сигнала которых обладает большим внутренним сопротивлением, в том числе усилителей в интегральном исполнении.

16

Усилительный каскад на полевом транзисторе

собщим стоком

Вусилительном каскаде на полевом транзисторе с ОС и затвором

ввиде p-n-перехода (рис.10) нагрузка включается в цепь истока. По своим свойствам этот каскад аналогичен эмиттерному повторителю. Он обладает большим входным и малым выходным сопротивлениями, коэффициент усиления по напряжению близок к единице, входное и выходное напряжения совпадают по фазе. Поэтому такой каскад называют истоковым повторителем.

Рис.10. Схема усилительного каскада на полевом транзисторе с общим стоком (ОС)

ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДА

Для исследования полупроводниковых усилителей используют переносной стенд (рис.11) и сменные панели (см. рис.1, 5-10).

17

На переносном стенде расположены измерительные приборы (амперметры для измерения токов базы Iб , эмиттера Iэ и истока Iи; вольтметр для измерения регулируемых с помощью переключателя (Ек, Ес) в пределах от 0 до 10 В), переключатели S1 и S2 для изменения емкостей разделительных конденсаторов соответственно на входе и выходе усилителя, переключатель S3 (см. рис.1, 5, 6) для включения делителя в цепи базы транзисторов, переключатель (Cэ1, Cи1- Cэ1, Cи1) для изменения шунтирующей емкости в цепях эмиттера и истока в схемах соответственно с биполярным и полевым транзисторами, переключатель Rг изменения внутреннего сопротивления источника сигналов, переключатели «ГЕНЕРАТОР» и «ЧАСТОТА» для изменения соответственно выходного напряжения и частоты источника сигналов, переключатели Rд1 и Rд2 для создания начального смещения точки покоя, переключатели RЭ, RК, RС, RИ для изменения сопротивлений в цепях соответственно эмиттера, коллектора, стока, истока.

На передней панели переносного стенда предусмотрено гнездо с выключателями, коммутирующими электрические цепи в зависимости от типа помещаемых на переносной стенд сменных панелей усилителей.

Стенд получает питание в зависимости от положения переключателя «СЕТЬ». Наличие питания контролируется лампочкой «ВКЛ».

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Перед исследованиями усилителя по заданию преподавателя установите требуемую сменную панель, включите переносной стенд и осциллограф и без записи данных измерений проверьте работоспособность стенда, приборов, осциллографа, определите цены делений приборов.

18

Рис.11. Вид передней панели переносного стенда для исследования полупроводниковых усилителей

19

А. Исследование усилительных каскадов на биполярных транзисторах

1.Установите в разъем переносного стенда (см. рис.11) сменную панель для исследования усилительного каскада с ОЭ (см. рис.1) (по заданию преподавателя для исследования могут быть предложены сменные панели со схемами усилителей, приведенными на рис. 5-8).

2.На переносном стенде включите переключатель S3, по заданию

преподавателя установите значения параметров на входе (RГ; С1 или С2 переключателем S1; выход генератора сигналов переключателем “ГЕНЕРАТОР” и частоту входного сигнала переключателем “ЧАСТОТА”), выходе (С3 или С4 переключателем S2; нагрузку пере-

ключателем Rн; значение напряжения источника питания переключателем (Ек, Ес), установив переключатель в положение Ек) и параметры схемы усилителя (Rд1, Rд2 , Rэ, Cэ1 или Cэ2 переключателем (Cэ1, Cи1- Cэ1, Cи1), RК).

3.Включите стенд тумблером «СЕТЬ», проверьте работоспособность схемы.

4.Снимите амплитудные характеристики (АХ) Uвых = f (Uвх) при различных параметрах усилителя, заданных преподавателем, и данные измерений занесите в табл.2.

5.Снимите амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) усилителя при параметрах, заданных преподавателем, данные занесите в табл.3.

6.По данным табл.2 для каждого варианта постройте амплитуд- ную характеристику и на ее линейной части определите коэффициент усиления по напряжению.

7.По данным табл.3 постройте амплитудно-частотные характеристики усилителя при различных значениях входной и выходной емкостей (два варианта). Определите полосу пропускания усилителя.

8.Для одного из опытов зарисуйте в масштабе с экрана осциллографа характер изменения следующих величин:

входного тока (гнезда 3-4 переносного стенда); входного напряжения (гнезда 1-2 переносного стенда);

выходного тока (гнездо 5 сменной панели рис.1 – гнездо 10 переносного стенда); выходного напряжения (гнезда 5-10 переносного стенда).