Лекции по "Схемотехнике аналоговых устройств"
Автор: Пользователь скрыл имя, 18 Февраля 2013 в 00:47, курс лекций
Описание работы
1. Принцип электронного усиления и классификация усилителей
2. Основные показатели качества усилительных устройств
3. Анализ работы УК с помощью ВАХ
4. Критерии выбора положения ИРТ
5 Принципы обеспечения заданного положения ИРТ
Работа содержит 45 файлов
1
Способы включения транзистора в схему усилительного каскада
Как указывалось в разделе 6 усилительный каскад может быть представ-
лен 4-полюсником, ко входным зажимам которого подключен источник сиг-
нала, а к выходным – нагрузка (рис. 1)
Рис. 1
Однако транзистор – 3-электродный прибор, и при включении в качест-
ве 4-полюсника один из электродов должен быть общим для входной и вы-
ходной цепей.
В разделе о малосигнальных параметрах биполярного транзистора рас-
сматривалось такое включения транзистора, когда входным током является
ток базы, а входным напряжением – напряжение база-эмиттер, выходным то-
ком является ток коллектора, а выходным напряжением – напряжение кол-
лектор-эмиттер. Общим для входной и выходной цепей в данном случае яв-
ляется эмиттер. Эквивалентная схема включения транзистора на переменном
токе для этого случая приведена на рис. 2.
Рис. 2
Как видно, в данном случае вывод эмиттера является общим для входно-
го и выходного контуров. Однако это не единственный способ включения
транзистора в тракт усиления сигнала (рис. 3)
2
Рис. 3
Во всех приведенных схемах один из электродов усилительных прибо-
ров является общим для входных 1-1 и выходных 2-2 зажимов, поэтому схе-
мы на рис. 3,а – в называют, соответственно, схемами с общим эмиттером
(ОЭ), с общим коллектором (ОК) и с общей базой (ОБ).
Напомним, что эквивалентная схема на переменном токе отражает про-
хождение только переменного сигнала. При этом предполагается, что с по-
мощью специальных схемотехнических мер обеспечен режим работы тран-
зистора на постоянном токе, а влияние этих мер на прохождение переменно-
го сигнала исключено и на эквивалентной схеме они не отображаются.
Полученные ранее малосигнальные параметры транзистора относятся к
схеме ОЭ. Транзисторы, включенные по схемам ОБ и ОК, имеют другие ма-
лосигнальные параметры. Выразим их через параметры транзистора в схеме
ОЭ.
Воспользуемся методом неопределенной Y-матрицы. Поскольку транзи-
стор имеет 3 электрода, то вектор токов через электроды можно связать с
вектором напряжений на электродах относительно точки нулевого потенциа-
ла (рис. 4) с помощью матрицы размером 3 на 3.
Рис. 4
3
Если напряжение считать аргументом, а ток – функцией, то элементы
матрицы имеют размерность проводимостей:
1
1
11
12
13
2
21
22
23
2
31
32
33
3
3
I
U
Y
Y
Y
I
Y
Y
Y
U
Y
Y
Y
I
U
=
.
В силу законов Кирхгоффа из 9 элементов матрицы независимыми яв-
ляются только 4. Действительно сумма токов через электроды транзистора
(
)
(
)
(
)
1
2
3
11
12
13
1
21
22
23
2
31
32
33
3
0
I
I
I
Y
Y
Y U
Y
Y
Y U
Y
Y
Y U
+ + =
+
+
+
+
+
+
+
+
=
.
В частном случае при U
1
=U
2
=U
3
это соотношение также должно выпол-
няться. Это возможно тогда и только тогда, когда
0
ij
i
Y =
∑
и
0
ij
j
Y =
∑
,
i,j=1,2,3, то есть когда суммы строк и столбцов равны 0.
Схема ОЭ. Входным током является ток базы, а выходным – ток коллек-
тора, входным напряжением – напряжение на базе, а выходным напряжением
– напряжение на коллекторе. В соответствии с рис. 4 для схемы ОЭ I
вх
= I
1
,
I
вых
= I
2
, U
вх
= U
1
, U
вых
= U
2
и
1
1
11
12
21
22
2
2
I
U
Y
Y
Y
Y
I
U
=
.
Выразим оставшиеся элементы Y-матрицы через 4 первые, являющиеся
малосигнальными параметрами транзистора в схеме ОЭ:
(
)
(
)
(
) (
) (
)
1
1
11
12
11
12
2
21
22
21
22
2
11
21
12
22
11
12
21
22
3
3
I
U
Y
Y
Y
Y
I
Y
Y
Y
Y
U
Y
Y
Y
Y
Y
Y
Y
Y
I
U
−
−
=
−
−
−
−
−
−
+
+
+
.
Схема ОК. Входным током является ток базы, а выходным – ток эмитте-
ра, входным напряжением – напряжение на базе, а выходным напряжением –
напряжение на эмиттере. Тогда на основании предыдущего матричного урав-
нения
(
)
вх
1
11ок
вых
11
вх
1
0
I
I
Y
U
Y
U
U
=
=
=
=
,
(
)
вх
1
12ок
вх
13
11
12
вых
3
0
I
I
Y
U
Y
Y
Y
U
U
=
=
=
=
= −
−
,
(
)
3
вых
21ок
вых
31
11
21
вх
1
0
I
I
Y
U
Y
Y
Y
U
U
=
=
=
=
= −
−
,
4
(
)
3
вых
22ок
вх
33
11
12
21
22
вых
3
0
I
I
Y
U
Y
Y
Y
Y
Y
U
U
=
=
=
=
=
+
+
+
.
Аналогичным образом поступим для схемы ОБ. Входным током являет-
ся ток эмиттера, а выходным – ток коллектора, входным напряжением – на-
пряжение на эмиттере, а выходным напряжением – напряжение на коллекто-
ре.
(
)
3
вх
11об
вых
11
12
21
22
вх
3
0
I
I
Y
U
Y
Y
Y
Y
U
U
=
=
=
=
+
+
+
,
(
)
3
вх
12об
вх
32
12
22
вых
2
0
I
I
Y
U
Y
Y
Y
U
U
=
=
=
=
= −
−
,
(
)
вых
2
21об
вых
23
21
22
вх
3
0
I
I
Y
U
Y
Y
Y
U
U
=
=
=
=
= −
−
,
(
)
вых
2
22об
вх
22
вых
2
0
I
I
Y
U
Y
U
U
=
=
=
=
.
Таким образом, найдены малосигнальные параметры транзистора в схе-
мах ОБ и ОК, выраженные через параметры транзистора в схеме ОЭ.
В области низких частот мнимые части комплексных проводимостей
становятся пренебрежимо малы, а частотной зависимость вещественных час-
тей можно пренебречь. Тогда малосигнальные параметры выражаются веще-
ственными, не зависящими от частоты числами g
ij
. Кроме того, в транзисто-
рах всегда выполняется следующее неравенство
21
11
22
12
g
g
g
g
≫
≫
≫
,
позволяющее записать приближенные соотношения для малосигнальных па-
раметров схемы ОК
11ок
11
12ок
11
12
11
21ок
11
21
21
22ок
11
12
21
22
21
g
g
g
g
g
g
g
g
g
g
g
g
g
g
g
g
=
= −
−
≈ −
= −
−
≈ −
=
+
+
+
≈ −
и схемы ОБ
11об
11
12
21
22
21
12об
11
22
22
21об
21
22
21
22об
22
g
g
g
g
g
g
g
g
g
g
g
g
g
g
g
g
=
+
+
+
≈ −
= −
−
≈ −
= −
−
≈ −
=
.
5
Малосигнальные параметры каскадов, основанных на схемах ОБ и ОК
находятся аналогично параметрам каскада с транзистором, включенным по
схеме ОЭ, путем подстановки в общие соотношения параметров транзисто-
ров в соответствующем включении.
Напомним для схемы ОЭ
вых
21
вх
22
н
,
U
g
K
U
g
G
=
= −
+
вх
12
обр
вых
11
с
,
U
g
K
U
g
G
=
= −
+
вх
12 21
вх
11
11
вх
22
н
,
I
g g
g
g
g
U
g
G
=
=
−
≈
+
вых
12 21
вых
22
21 обр
22
22
вых
11
с
.
I
g g
g
g
g K
g
g
U
g
G
=
=
+
=
−
≈
+
Для схемы ОК получим
21ок
21
21 н
ок
22ок
н
21
н
21 н
,
1
g
g
g R
K
g
G
g
G
g R
= −
=
=
+
+
+
12ок
11 с
11
оброк
11ок
с
11
с
11 с
,
1
g
g R
g
K
g
G
g
G
g R
= −
=
=
+
+
+
12ок 21ок
11 21
11 н
11
вхок
11ок
11
22ок
н
21
н
21
н
21 н
,
1
g
g
g g
g G
g
g
g
g
g
G
g
G
g
G
g R
=
−
=
−
=
=
+
+
+
+
12ок 21ок
21 с
11 21
21
выхок
22ок
21
11ок
с
11
с
11
с
11 с
.
1
g
g
g G
g g
g
g
g
g
g
G
g
G
g
G
g R
=
−
=
−
=
=
+
+
+
+
Для схемы ОБ
21об
21
21 н
об
22об
н
22
н
22 н
,
1
g
g
g R
K
g
G
g
G
g R
= −
=
=
+
+
+
12об
22 с
22
оброб
11об
с
21
с
11 с
,
1
g
g R
g
K
g
G
g
G
g R
= −
=
=
+
+
+
12об 21об
21 22
21 н
21
вхоб
11об
21
21
22об
н
21
н
22
н
22 н
,
1
g
g
g g
g G
g
g
g
g
g
g
G
g
G
g
G
g R
=
−
=
−
=
=
≈
+
+
+
+
12об 21об
22 с
11 21
22
выхоб
22об
21
11об
с
11
с
21
с
21 с
.
1
g
g
g G
g g
g
g
g
g
g
G
g
G
g
G
g R
=
−
=
−
=
=
+
+
+
+
На основании этих формул можно составить таблицу параметров каска-
дов с транзисторами в различных включениях (таблица 1).
6
Таблица 1
Схема
K
g
вх
g
вых
ОЭ
21
22
н
g
g
G
−
+
11
g
22
g
ОK
21 н
21 н
1
g R
g R +
11
21 н
1
g
g R
+
21
11 c
1
g
g R
+
ОБ
21 н
22 н
1
g R
g R +
21
g
22
21 с
1
g
g R +
Если учесть часто выполняющиеся на практике неравенства
22 н
1
g R ≪ ,
21 н
1
g R ≫ , а также ввести в рассмотрение коэффициент усиления по току K
i
,
то с учетом определений коэффициентов
к
оэ
б
β
i
I
K
I
=
=
,
э
к
б
I
I
I
=
+ ,
э
к
ок
б
б
1 β+1
i
I
I
K
I
I
=
+ =
=
,
к
к
об
э
б
к
β
α
β 1
i
I
I
K
I
I
I
=
=
=
=
+
+
,
получим таблицу 2.
Таблица 2
Схема
K
r
вх
r
вых
K
i
ОЭ
21 н
g R
−
11
1
g
22
1
g
β
ОK
1
н
βR
11 c
21
1 g R
g
+
β 1
+
ОБ
21 н
g R
21
1
g
21 с
22
1
g R
g
+
β
α
β 1
=
+
В этой таблице вместо входных и выходных проводимостей представле-
ны соответствующие сопротивления.
На основании данных таблиц можно сделать важные для практики вы-
воды.
Наибольшее усиление по мощности обеспечивает включение транзисто-
ра по схеме ОЭ. Это включение считается основным. При нем в каскаде име-
ет место не только наибольшее усиление по мощности, но и, как правило,
существенные усиления по току и напряжению, приближающиеся к макси-
мально достижимым. Поэтому на использование схемы ОЭ ориентируются в
первую очередь.
7
Основные характеристики и параметры приводится для этого включе-
ния. В дальнейшем параметры, относящиеся к этой схеме включения, будем
в формулах применять без каких-либо дополнительных индексов, тогда как
параметры, относящиеся к другим схемам включения, будем снабжать соот-
ветствующими индексами. Так, например, параметр g
11ок
означает входную
проводимость, соответствующую включению транзистора по схеме ОК. В
ряде случаев получение наибольшего усиления не является главной задачей.
В связи с этим часто в усилителях применяют и другие схемы включения,
которые по ряду параметров и свойств превосходят основную схему включе-
ния.
В схеме ОК коэффициент передачи напряжения близок к единице, в ре-
зультате чего выходной сигнал по величине и фазе повторяет входной
(u
вх
=u
вых
). Поэтому этот каскад называют повторителем напряжения (эмит-
терным повторителем). Основным достоинством этого каскада является то,
что он обладает малой входной и большой выходной проводимостями. Он
часто используется как согласующий и разделительный, обеспечивающий
высокие значения сквозного коэффициента передачи при прохождении сиг-
нала от высокоомного источника ЭДС к низкоомным цепям, приближая ко-
эффициент передачи входной цепи к максимально достижимому значению,
равному единице.
В схеме ОБ выходной ток практически равен входному, поэтому эту
схему можно назвать повторителем тока (вытекающий выходной ток повто-
ряет втекающий входной). Повторители тока не обладают усилением по току,
имеют большую входную проводимость и пониженное (по сравнению с ос-
новной схемой) усиление по мощности. Все это ограничивает сферу приме-
нения схемы ОБ. В основном это включение применяется в высокочастотных
схемах, т.е. там, где становится заметным влияние паразитных обратных свя-
зей через емкости р-n-переходов.
Информация о работе Лекции по "Схемотехнике аналоговых устройств"