Схемотехника аналоговых электронных устройств - [7]

В большинстве случаев, наилучшими свойствами среди простейших (базовых) схем термостабилизации обладает эмиттерная схема термостабилизациипоказанная на рисунке 2.20.

Рисунок 2.20. Каскад с эмиттерной термостабилизацией

Эффект термостабилизации в этой схеме достигается:

◆ фиксацией потенциала U_б выбором тока базового делителя I_д>>I_б0, U_б≈const.

◆ введением по постоянному току ООС путем включения резистора R_э. На частотах сигнала эта ООС устраняется шунтированием резистора R_э емкостью C_э.

Напряжение U_бэ0 определяется как:

U_бэ0 = U_б – U_Rэ.

Механизм действия ООС можно изобразить следующей диаграммой:

T^⇑⇒I^⇑_к0⇒U^⇓_Rэ⇒U^⇓_бэ0⇒I^⇓_б0⇒I^⇓_к0,

↑←←←←петля ООС ←←←←↓

где символами ⇑ и ⇓ показано, соответственно, увеличение и уменьшение соответствующего параметра. Эскизный расчет эмиттерной схемы термостабилизации маломощного каскада можно проводить в следующей последовательности:

◆ Зададимся током делителя, образованного резисторами R_б1 и R_б2:

I_д = (3…10)I_б0;

◆ выбираем U_Rэ = (0,1…0,2)E_к ≈ (1…5) В, и определяем номинал R_э:

◆ определяем потенциал U_б:

U_б = U_Rэ + U_бэ0;

◆ рассчитываем номиналы резисторов базового делителя:

R_б1 = U_б/I_д,

где E_к=U_к0+U_Rэ+I_к0R_к, Rк определяется при расчете сигнальных параметров каскада.

Коэффициенты термостабилизации для этой схемы:

S_T1 ≈ 1/(1 + S₀·R_э),

Здесь R₁₂ — параллельное соединение резисторов R_б1 и R_б1.

Для каскадов повышенной мощности следует учитывать требования экономичности при выборе I_д и U_Rэ.

Анализ полученных выражений показывает, что для улучшения термостабильности каскада следует увеличивать номинал R_э и уменьшать R₁₂.

Для целей термостабилизации каскада иногда используют термокомпенсацию. Принципиальная схема каскада с термокомпенсацией приведена на рисунке 2.21.

Рисунок 2.21. Каскад с термокомпенсацией

Здесь в цепь базы транзистора включен прямосмещенный диод D, температурный коэффициент стабилизации напряжения (ТКН) которого равен ТКН эмиттерного перехода БТ. При изменении температуры окружающей среды напряжение U_бэ0 и напряжение на диоде Δφ₀ будет меняться одинаково, в результате чего ток покоя базы I_б0 останется постоянным. Применение этого метода особенно эффективно в каскадах на кремниевых транзисторах, где основную нестабильность тока коллектора порождает ΔU_бТ (из-за относительной малости ΔI_кбо). Наилучшая реализация этого метода термокомпенсации достигается в ИМС, где оба перехода естественным образом локализуются в пределах одного кристалла и имеют совершенно одинаковые параметры. Возможно применение других термокомпенсирующих элементов и цепей, например, использующих сочетания БТ и ПТ. Большой класс цепей, питающих БТ, составляют схемы с двумя источниками питания, пример одной из них приведен на рисунке 2.22.

Рисунок 2.22. Каскад с двуполярным питанием

По сути, это схема эмиттерной термостабилизации, у которой "жестко" зафиксирован потенциал U_б,

, а S_T12≈1/H_21э.

Следует отметить возможность применения данных схем термостабилизации при любой схеме использования БТ в любой комбинации.

2.7. Усилительный каскад на биполярном транзисторе с ОБ

 Вариант схемы каскада с ОБ с эмиттерной схемой термостабилизации приведен на рисунке 2.23, схема каскада для частот сигнала — на рисунке 2.24.

Рисунок 2.23. Усилительный каскад с ОБ

Рисунок 2.24. Схема каскада с ОБ для частот сигнала

Каскад с ОБ называют еще "повторителем тока", т.к. коэффициент передачи по току этого каскада меньше единицы:

K_I = I_вых/I_вх = I_к/I_э = H_21э/(1 + H_21э) = H_21б.

При подаче на эмиттер положительной полуволны синусоидального входного сигнала будет уменьшаться ток эмиттера, а, следовательно, и ток коллектора. В результате падение напряжение на R_к уменьшится, а напряжение на коллекторе увеличится, т.е. произойдет формирование положительной полуволны выходного синусоидального напряжения. Таким образом, каскад с ОБ не инвертирует входной сигнал.

 Анализ работы усилительного каскада с ОБ по входным и выходным динамическим характеристикам можно провести аналогично разделу 2.5.

 Для расчета параметров каскада с ОБ по переменному току используем методику раздела 2.3, а БТ представлять моделью предложенной в разделе 2.4.1.

 Представим каскад с ОБ схемами для областей СЧ, ВЧ и НЧ (рисунок 2.25 а,б,в):

Рисунок 2.25. Схемы каскада с ОБ для СЧ, ВЧ и НЧ 

Проведя анализ, получим для области СЧ:

K₀ = S₀R_экв,

где R_экв ≈ R_к ∥ R_н;

g_вх = (S₀ + g) + G_э ≈ S₀,

где G_э = 1/R_э, обычно S₀ >> g и G_э.

g_вых ≈ g = 1/R_к.

Эти соотношения получены в предположении, что низкочастотное значение внутренней проводимости транзистора g_22э много меньше g_к и g_н. Это условие (если не будет оговорено особо) будет действовать и при дальнейшем анализе усилительных каскадов на БТ. Такое допущение справедливо потому, что БТ является токовым прибором и особенно эффективен при работе на низкоомную нагрузку.

 В области ВЧполучим:

,

где τ_в— постоянная времени каскада в области ВЧ, определяемая аналогично ОЭ.

,

где C_вых — выходная емкость каскада, C_вых=C_кS₀r_б.

т.е. модуль входной проводимости уменьшается с ростом частоты, что позволяет сделать вывод об индуктивном характере входной проводимости каскада с ОБ на ВЧ. Количественно индуктивную составляющую входного импеданса можно оценить следующим образом: