МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕпо курсу

«СХЕМОТЕХНИКА АНАЛОГОВЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ»

ГЛАВА 6. МНОГОКАСКАДНЫЕ УСИЛИТЕЛИ

6.1. Особенности построения многокаскадных усилительных трактов

В пределах одного каскада усиления достаточно трудно совместить многие параметры, которые могут быть предъявлены к усилителю техническими требованиями. К числу подобных параметров можно отнести, например:

1. Высокое входное сопротивление.2. Низкое выходное сопротивление.3. Желаемый коэффициент усиления.4. Чувствительность и т.д.В связи с этим в большинстве своем усилители стоят по многокаскадной

схеме. В этой схеме можно выделить три основных звена:1. Входной каскад.2. Один или несколько каскадов предварительного усиления.3. Выходной или выходные каскады.На входной каскад возлагается:1. Основная функция - это усиление.2. Согласование выходного сопротивления источника сигнала с входным

сопротивлением усилительного тракта.Под согласованием понимается мероприятия по повышению

коэффициента передачи входной цепи. Для этого во входных каскадах используют схемные решения с повышенным входным сопротивлением. Так включение на входе каскада ОК или ОЭ позволяет, несмотря на то, что коэффициент усиления каскада будет близок к 1 (т.е. отсутствует усиление по напряжению), получить достаточно высокое входное сопротивление усилительного тракта, а коэффициент передачи входной цепи приблизить к 1.

Во входном каскаде так же стремятся располагать органы управления, например, усилением.

В ряде случаев требуется получить предельную чувствительность усилителей. Для этого входные каскады строятся с учетом их малошумящего построения, например:

1. Используется малошумящие усилительные приборы и другие компоненты.

2. Используется различные схемные ухищрения, направленные на снижение внутренних шумов усилительного каскада.

3. Отказ от использования МДП- транзисторов во входных каскадах.Каскады промежуточного усиления предназначены в основном для

получения требуемого коэффициента усиления по напряжению. Исходя из

1

этого они должны обладать устойчивостью и стабильностью параметров в своей работе.

Выходные каскады предназначены для обеспечения в нагрузке требуемых, обычно больших, сигнальных токов и напряжений, т.е. сигнальных мощностей. Поэтому их часто называют усилителями мощности.

6.2 Способы межкаскадных связей.

6.2.1 Усилители с непосредственными межкаскадными связями.

В многокаскадной схеме сигналы с выхода предыдущего каскада передаются на вход последующего каскада. Простейшей межкаскадной связью является непосредственная связь. При этой связи вход последующего каскада непосредственно соединяется с выходом предыдущего каскада.

К схемам с непосредственными связями относятся схемные построения ОЭ-ОБ. (рис.6.1)

В схемах (рис.6.1) выход первого каскада (ОЭ, VT2, коллектор) непосредственно соединяется со входом второго каскада (ОБ, эммитер VT2). На рис .6.1а один источник питания, на рис.6.1б два источника питания, база VT1 , отсутствие Сб улучшение работы на НЧ.

Схемы на рис.6.1 организованы по последовательной схеме питания, значит в выходных цепях первого (VT1) и второго (VT2) каскадов протекают практически одинаковые токи, а напряжение источника питания распределяется между первым и вторым каскадами.

На рис.6.2 приведены схемные построения усилительной схемы с непосредственной связью с последовательно включенными каскадами и параллельно включенными каскадами к источнику питания.

2

R 4

R 1

VT2

VT1

R 5

R 2 R 6

R 3

С б1

С б2

С р2

С р1

Вых

+E п

-E п

рис.6.2.б

Преимущество схемы (рис.6.2б) перед схемой (рис.6.2а) состоит в том, что она построена на транзисторах разного типа (p-n-p и n-p-n). Это позволяет реализовать линейный участок работы транзисторов.

К достоинствам непосредственных межкаскадных связей следует отнести:

простоту реализации;отсутствие низкочастотных искажений;возможность стабилизации работы многокаскадной схемы на постоянном

токе одной общей петлей ООС. Непосредственная связь УПТ и аналоговые ИС.

6.2.2. Усилители с гальваническими межкаскадными связями

В аналоговых ИС и УПТ часто используется межкаскадная гальваническая связь. Эта связь предполагает включение между каскадами так называемой схемы сдвига уровня (ССУ), которая понижает потенциал на постоянном токе предыдущего каскада на постоянном токе. Подобное включение позволяет понизить потенциал на входе последующего каскада на величины Uсд., определяемого ССУ.

Обычно ССУ на базе:1. Резистивных делителей (рис.6.3а).2. Полупроводниковых диодов (рис.6.3б).3. Стабилитронов (рис.6.3в).4. Транзисторов включенных по схеме ОК(ОС) (рис.6.3г).5. Использование комбинаций выше перечисленных элементов.

3

Для схемы (рис.6.3а):

102

014302 )()( RI

IIRIER

IIU д

KKдп

Kдсд

;

дсд VNU , где N - число последовательно включенных диодов, Vд - потенциал, падающий на прямосмещенном переходе p-n-перехода диода (

)ln(0I

ImV д

Тд );

рис.6.3.в

вместо диодов ставим обратно смещенный стабилитрон:стсд UU ;

оэ

эсТбэсд I

ImUU

VTln

2 ;

4

VT3

R 4R 1

VT2

VT1

R 5R 3R 2

рис.6.3.г

Работу ССУ стараются организовать таким образом, чтобы они не влияли на прохождение сигнальных составляющих. Так прямосмещенные диоды, стабилитроны, переход база-эммитер транзистора имеют достаточно малое дифференциальное сопротивление, соответственно эти элементы практически не оказывают влияния на прохождение сигнальных составляющих.

Более подробно ССУ будут рассмотрены в дальнейшем, при рассмотрении схемных узлов аналоговых ИС.

6.2.3 Каскады и цепи с емкостной связью.

Широкое распространение находят схемы с емкостной связью между каскадами (разделительные конденсаторы). Эти конденсаторы разделяют каскады по постоянному току и объединяют по переменному току. Соответственно этот вид межкаскадной связи используется в усилителях переменного тока.

Недостатками этого вида вязи являются: в усилителях относительно невысоких частот (звуковых) требуется

использовать конденсаторы с целью снизить уровень низкочастотных искажений. Это не позволяет выполнить усилительный тракт полностью в интегральном исполнении.

невозможно повысить стабильность и определенность работы усилителя на постоянном токе за счет петли ОС , т.к. эта петля на постоянном токе будет разорвана.

В тоже время емкостные связи часто используют для осуществления частотной фильтрации. Частотные свойства типовой разделительной цепи определяются соотношением:

M f fp p( ) ( ) 1 1 2 2 1 2 ;

p pC R R ( )1 2 ;

C f R R rp d d 1 2 1 11 22 ( ) ( ) .

5

6.2.4 Трансформаторная межкаскадная связь.

Соединение двух каскадов между собой с помощью трансформатора называется трансформаторной связью.

Достоинства: Выбором коэффициента трансформации можно обеспечить оптимизацию

нагрузки усилительного прибора, и тем самым реализовать возможность получения предельных значений сигнальной мощности, отдаваемой в нагрузку.

R Rн н2 1 22 ( )

Поэтому трансформаторное подключение нагрузки к выходной цепи транзистора часто используется в оконечных каскадах усилителей мощности. большие сигнальные мощности и увеличение КПД.

Недостатки: - узкая полоса пропускания;большие габаритные размеры трансформаторов, их масса и стоимость.На базу VT2 постоянно нагрузка задается через Tp.

6.2.5. Оптроны как элементы межкаскадных связей и гальванических развязок

Иногда при построении аналоговых устройств возникает необходимость обеспечения электрической (или гальванической) развязки между каскадами. В этом случае используют пары элементов передающие информацию в канал связи светом. В качестве источников в этом случае могут использоваться, например:

- светодиоды;- полупроводниковые лазеры.В качестве приемников:- фоторезисторы;- фотодиоды;- фототранзисторы и т.д.Принцип работы подобных каналов связи основан, с одной стороны, на

модуляции интенсивности излучения светоизлучающего элемента в соответствии с электрическим сигналом, который надо передать , а с другой стороны, на преобразование фотоэлемента приемного светового сигнала в электрический сигнал в приемной части.

6.3. Типовые многотранзисторные схемные конфигурации усилительных каскадов

6.3.1. Каскадное соединение ОЭ-ОБ

Вариант А.

6

C р1

R 1 R kC p2

VT1

VT2

C б2R эR 3

R 2C p1

рис.6.6.а

Вых

+E п

Эта схема (рис. 6.6.а) построена на базе однотипных по проводимости транзисторов (n-p-n типа). При этом VT2 включен по схеме с общим эмиттером, а VT1 - с общей базой. Транзисторы VT1 и VT2 имеют последовательное включение между собой и относительно источника питания. Для этой схемы, поскольку транзисторов >>1, имеем: I I I Iк э к э01 01 02 02

, цепь R1 -R2 -R3 создает цепь смещения на постоянном токе транзисторов VT1 и VT2. При этом падение потенциала на R2 определяет уровень потенциала между коллектором и эмиттером транзистора VT2. В качестве нагрузочного элемента транзистора VT1 выступает резистор Rк, а транзистора VT2 - цепь включающая дифференциальное сопротивление перехода база - эммитор транзистора VT1 (поскольку >>1 принимаем, что Uб1 const).

R rdU

dI

m

Iн дб э

э

T

эVT. 2 1

1

1

Для транзистора VT2 можно построить нагрузочную кривую (рис. 6.6.б).

7

Выбирая величину Rэ можно обеспечить тот или иной наклон Rн. Но выбор резистора Rэ нужно делать исходя из желаемого тока для работы каскада (Iэ2) и падения потенциала на Rэ (1-2 В), обеспечивающего повышенную стабильность на постоянном токе каскада ОЭ. Исходя из этого мы можем найти Iк02, Iб02, из выходной характеристики Uбэ2, соответственно произвести расчет цепи делителя и величины Rк.

Рассмотрим пример: Пусть имеется схема рис (6.6.а). Определить значение резисторов при условии, что I I I I мАэ к э k02 02 01 0

2 ,

U U В U Вк э к э Rэ1 25 2 , .

U U Вб э б э1 2 0 ,7 , E Вп 15 , VT VT1 2100 .

RU

Iк Омэ

R

эо

э 2

2

21 .

I I мАб б1 2

2

1000 ,02 .

Выбираем I I I I м Ад б б б 10 01 2

( ) ,4 .

U I R U U RU U

Iк ОмR д б э R

б э R

д

э

3 2 3

23 3

0 2

06

,7

,4,75 .

U U RU

I Iк ОмR к э

к э

д б2 02

02

2

2

5

011

,42,9 .

RE U U

I Iк Омп R R

д б1

2 3

2

15 5 2

016

,7

,44,6 .

U E U U ВR п к э эk 2 15 10 2 3 .

RU

Iк Омк

R

к о

к 1

3

21 5, .

Вариант 1. (рис.6.6.в)

8

ВхС р1

R 1 R 01 R k

VT2VT1

C р2

+E п

Вых

-E п

R 2 R 02

C б1

рис.6.6 в

Эта схема так же является вариантом каскадного соединения ОЭ-ОБ, однако, она выполнена на транзисторах разного типа проводимости: ОЭ p-n-p-тип, ОБ n-p-n-тип .

Питание этой схемы выполняется по параллельной схеме на рис. 6.6.в приведена схема питающаяся от двух источников питания с заземлением базы транзистора VT2. Однако, возможен вариант и с одним источником питания, когда потенциал база VT2 может быть задан, например, с помощью резистивного делителя.

В этой схеме ток через резистор R02 равен сумме токов: I I IR к э02 01 02 , ток

I Iк э01 01 I

U V

RkR б э

01

1 1

01

, ток I

E V I R

Rэп б э к о

02

2 1 02

02

.

Из приведенных соотношений видно, что: IК01 =IЭ02 при условии:

( ) ( ,7)U V ER

RR п10

201

02

. При этом: I I

U V

Rк эR

01 02

1 0

01

.

Пример. Рассчитаем для схем рис. 6.6.в токи IК0 и IЭ02 в условиях когда они одинаковые и R2=7кОм, R01=2кОм, Eп

+=10В, Eп-=5В, R1=3кОм.

Решение.UE R

R RВR

п1

1

1 2

10 3

3 73

.

I IU V

Rм Ак э

R

01 02

1 0

01

3 0

22 15

,7, .

Определим R02 из условия: R

R

U V

ER

п

01

02

0

2 01

,7

RR E

U Vк Омп

R02

01

02

0 2

2

5 0

3 0

4

21

1

,7 ,7

,7

,3

,3,9 .

Рассмотрим работу этих схем на переменном токе. Эквивалентные схемы - рис. 6.7, эквиваленты схем представлены на рис. 6.6.а и 6.6.в.

9

Эквивалентная схема (рис. 6.7.а) соответствует схеме (рис. 6.6.а),

выполненной на двух транзисторах n-p-n типа. Эквивалентная схема (рис. 6.6.в), выполненной на транзисторах разного

типа проводимости (p-n-p и n-p-n типов).На переменном токе эти различия в постоянном не принципиальны,

поскольку при малосигнальном режиме работа этих каскадов не зависит от типа проводимости транзисторов, кроме этого проводимость R02 на рис. 6.7.б по сравнению с входной проводимостью каскада ОБ имеют пренебрежимо малое значение.

Коэффициент усиления каскодного соединения: K=KоэKоб. При этом в качестве нагрузки каскада ОЭ выступает входная проводимость схемы ОБ (для схемы 6.6.в это параллельность соединения R02 и входной проводимости). Входная проводимость схемы с ОБ велика и поэтому K0Э 1, что как известно существенно снижает коэффициент Миллера (Y Y Kвх f f. ( ) 1 0 ). Общее усиление, обеспечиваемое каскодной схемой равно:

K=KоэKоб=Kоб g21 g22+gн. Kоб =g21 Rk .

Пример. Определим коэффициент усиления для схемы рис. 6.6.а в условиях, когда ее построение соответствует случаю: E В R к Ом R к Ом R к Ом R к Омп к 15 56 11 6 1 51 2 3, , ,9 , ,75 , , ,

R к Омэ 1 , =100, Ik =2мА.

По формуле: gI

r Iк

Т б к Т21 1

( ) ;

Пусть r Омб 40

g А В21

3

3

2 10

0 1 40 2 10 0 1000

,026 ( ,026 ),035 .

Тогда:K K K K g Rо э о б о б k 21

30 1 5 10 52 5,035 , ,

Каскодное соединение ОЭ - ОБ по усилительным свойствам соответствуют схеме ОЭ, но они проявляют повышенную устойчивость на повышенных частотах. Это объясняется тем, чтоKоэ 1, следовательно проходная емкость транзистора не оказывает существенного влияния (отсутствие эффекта Миллера), несмотря на существенное усиление.

6.3.2. Схемные построения на эммитерно-связанных транзисторах

Широкое распространение в аналоговых схемах, выполненных как по интегральной, так и по дискретной технологиям находят схемы эммитерно- связанных транзисторов (рис.6.8.а).

10

Основа этой схемы это пара транзисторов VT1 и VT2 идентичных по своим параметрам. На базе этой схемы строятся устройства не только усиления, но и перемножения сигналов регулировки усиления, функционального преобразования сигналов. Эта схема является основным звеном УПТ. Рассмотрим режимы работы этой схемы на постоянном токе.

Типовое построение схемы со связанными эммитерами предполагает использование двух источников питания Eп

+ и Eп-. При анализе схемы на

постоянном токе, узлы схемы: идентичность параметров транзисторов, Rk1=Rk2; имеем:

I I Iэ э0 0 01 22 ; I I Iк к0 0 01 2

2 (6.1)Основным токозадающим источником питания является Eп

-. Тогда:I V E Rn0 0 0 ( ) .Например: E В V В I I м Ап к к

5 0 2 10 0 01 2, ,7 , , . Найти R0 .

11

I I k0 021,2

RV E

Iк Омп

k0

0

02

5 0

2 2 11

,7

,.

Если схема питается от одного источника питания, то тогда потенциал на базы транзисторов задается через резистивный делитель (рис.6.8.б). (R1R2

R3R4), где R1=R3 R2=R4. Т.е. потенциалы U01 иU02 выравнивают, обеспечивая их равенство. Для этой схемы:

RI

ER

R RV

Kn0

0

2

1 20

1

2

,

где ток в цепи делителя R1R2 или R3R4 выберем много больше Iб.тр и исходя из этого рассчитываем R1 и R2 (R3 и R4). Выравнивание потенциалов U01

= U02 связано с тем , что подобная схема очень чувствительна к разности потенциалов. Это приводит к тому, что Ik01 Ik02. Т.е. U м В 70 80 практически полностью исключает симметричность схемы на постоянном токе. Т. е. один транзистор оказывается запертым, а второй теряет свойства усиления сигнала.

Допустим: I I U mк э б э T0 01 1 exp ; I I U mк э б э T0 02 2

exp .

Для схемы рис.6.8

I U U mк б э б э T2 1 21 exp .

При условии, что m=1, а Uбэ2 -Uбэ1=U0 , и I I Uк T1 0 01 exp

I I Uк T2 0 01 exp , значит : I I Ik k1 2 0 .Пример. (рис.6.8.б) Из-за разброса базовых делителей

U В U В01 025 5 ,05 ; ,01 . Определим как это скажется на распределении тока I м А0 6 между транзисторами VT1 и VT2.

Решение: U U U В0 01 02 5 5 0 ,05 ,01 ,04 .

Тогда : I м Ак16 10 1 0 0 4 103 3 exp ,04 ,026 ,94 .

I м Ак16 10 1 0 0 1 103 3 exp ,04 ,026 ,06 . Снижение

влияния разбаланса потенциалов между базами транзисторов (U0) на работу каскада (рис.6.8) может быть достигнуто за счет введения в эммитерные цепи транзисторов дополнительных резисторов R f (рис.6.9).

Известно, что введение резисторов в эммитерную цепь транзистора

линеаризует переходную характеристику транзистора, а это позволяет неискаженно передавать входные сигналы повышенной интенсивности. (рис.6.10). Эти графики построены в соответствии с соотношениями:

I I Uк T1 0 01 exp

I I Uк T2 0 01 exp , при R f 0 а также R f 0. Построение последнего основано на учете того, что :

U U U U U R I Iб э б э f k k 01 02 0 01 2 1 2( ).

При этом считаем, что есть Ik0 , Ik02 =I0 - Ik01. Чем выше отношение U R Tf , тем

12

выше линейность. Однако включение R f снижает передаточные свойства каскада (коэффициент усиления) в 1 21 g R f раз.

-6 -4 -2 0 2 4 6 U T0

I I I Ik k1 20 0,

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

Rf 0

R f 0

I Ik1 0I Ik 2 0

рис.6.10

Учитывая то обстоятельство, что каскад на эммитерно-связанных транзисторах имеет два входа и два выхода, возможно несколько вариантов использования этого каскада. Например:

1. Один вход и один или оба выхода (фазоинверторы).2. Оба входа и один или два самостоятельных выхода (дифференциальное

управление по входам).3. Оба входа и оба выхода (дифференциальное управление по входам и

дифференциальный съём сигнала по выходам).Рассмотрим эти модификации.

6.3.3. Фазоинвертор на эммитерно-связанной паре транзисторов.

Под фазоинвертором (ФИ) понимается схемное построение каскада, задачей которого является формирование из одиночного сигнала Uвх. двух противофазных сигналов равных амплитуд.

Электрическая схема ФИ представлена на рис.6.11.Эта схема представляет собой каскад, построенный на эммитерно-

связанной паре транзисторов (VT1, VT2). В коллекторную цепь этих транзисторов включены резисторы нагрузки Rk1 и Rk2. Протекание тока через эти резисторы обеспечивает падение потенциала на них. При этом выходной потенциал (Uвых1) на коллекторе VT1 противоположен по фазе входному сигналу (Uвх), а на коллекторе VT2 (Uвых2) совпадает по фазе с Uвх.

Основное требование , которое предъявляется к ФИ является равенство U Uвых вых1 2

. Для этого необходимо, чтобы R Rk k1 2 и K K1 2 (коэффициенты

передачи со входа к первому и второму выходам).

13

R k2R k1

U вых2

U вых1

R 0

рис.6.11

U вх

-E п

+E п

VT2VT1

Рассмотрим K1 и K2 , их зависимость и зависимость Uвых1 и Uвых2 от параметров схемы.

Разбиваем схему на два каскада, где первый каскад включен по схеме о ОЭ, а второй по схеме с ОБ.

KU

UKвых

вхо эf1

1

1

Kо эf предполагает наличие дополнительного резистора в эммитерных цепях VT1 и VT2. Вспомним соотношение для K каскада с ОЭ:

K g g gо э н 21 22 (6.5)Пир наличии резистора в эммитерной цепи транзистора:K K Fо э f о э о э. , где F g Rо э f 1 21 1 (6.5)R f1 - резистивный элемент в цепи эммитера первого транзистора.

Поскольку в (6.5) g21>>g22, а gRн

k

1

1

, значит:

K g R Fg g

g Rо э к о э

k

ff

2121

211

1

11

, (6.5)

где R R Rf вх о б1 0 . , Rg gвх о б.

1

21 11, так как g g R

gвх о б21 1121

1 . .

Тогда: RR

g Rf1

0

21 01

. Подставляя это в (6.5) получим:

K K

g R

g R

g R

g R g R

g Rо эk k

f121

21 0

21 0

21 21 0

21 0

1 1

11

1

1 2

(6.5)

Рассмотрим K2: K K Kо к f о б f2 . . , где

K Kg R

g Rо к f о кн

н.

21

21

1

11 , где

14

R R RR

g Rн вх о б1 00

21 01

. .

Kg

g gо бн

21

22; т.к. g gн22 1

K g Rо б k 21 2 .

Тогда:

K

g R

g Rg R

g R

g Rg R g R

g Rkk

2

21 0

21 0

21 0

21 0

2121 0 21

21 0

1

11

1 22

2

(6.6)

Учитывая, то обстоятельство, что обычно:g R R R Rk k k 0 1

1 2, , из (6.5), (6.6)

Имеем :

K Kg Rk

1 221

2

(6.7а)

Соотношения (6.5)-(6.7а) получены с учетом того, что в цепи эммитеров VT1 и VT2 отсутствует R f . Если подобные резисторы присутствуют, то g21

заменим на g g g Rf f21 21 211. .Следовательно введя в g21. f (6.7а) имеем:

K Kg R

g Rk

f1 2

21

212 1

(6.7б)

Т.е. введенное R f снижает коэффициент усиления в 1 21 g R f раз.Важной характеристикой ФИ является степень различия Uвых1 и Uвых2 . Это

различие определяется в первую очередь различием K1 и K2. В качестве меры различия обычно выбирают разность:

K K K 2 1 (6.8)Учитывая (6.5) и (6.6) получим:

Kg R

g R

R

Rk k

21

21 0 01 2 2 (6.9)

Несовпадение K1 и K2 объяснено на основании рассмотрения эффектов разветвления и передачи сигнальных токов в узлах и звеньях схем на эммитерно-связанных транзисторах (рис.6.12).

На рис.6.12 приведена схема ФИ с распределением токов и

коэффициентов передачи и ответвления. При этом в схеме с ОЭ коэффициент усилеиня по току равен .

В схеме с ОК + В схеме с ОБ 1 , следовательно при R R Rk k k1 2

U i R i Rвых k вх k1 1

U i R i K R U Kвых k вх i k вых i2 3 1 32 11

;

Ki3 - коэффициент ответвления тока в узле 3.Т.е. можно видеть, что части ответвляемого сигнального тока в

двухполюснике R0 приводит к тому, что Uвых2 Uвых1 , т.к. Ki3 <1

15

Kg R

g Ri3

1 21 0

21 0

.

Из этого соотношения видно, что для уменьшения доли различия Uвых1 и Uвых2 , необходимо чтобы Ki3 стремилось к единице, а это влзможно при увеличении R0 . Однако увеличении R0 влечет за собой уменьшение ik , что ведет за собой ухудшение усилительных и частотных свойств каскада. Для уменьшения влияния используют транзисторные генераторы стабильного тока (ГСТ). ГСТ создает требуемую величину тока при умеренном Eп . В тоже время ГСТ обладает большим дифференциальным сопротивлением , отсюда Ki3 стремиться к единице. Т.к. существенно уменьшается доля сигнального тока, ответвляемого в двухполюсник, отсюда уменьшается доля различия между Uвых1

и Uвых2.

16