6. Каскады усиления на дискретных элементах. Лекция 17

6. КАСКАДЫ УСИЛЕНИЯ НА
ДИСКРЕТНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ
 Школа Н.Ф.
«ЭЛЕКТРОНИКА И МИКРОПРОЦЕССОРНАЯ ТЕХНИКА»
«АНАЛОГОВЫЕ И ИМПУЛЬСНЫЕ УСТРОЙСТВА»
Ч.1. «АНАЛОГОВЫЕ УСТРОЙСТВА»
Лекция №17 2005 г.
6.4. Каскад с эмиттерной связьюдифференциальный каскад (ДК)
Дифференциальный
усилительный
каскад (ДК) или усилитель разности – это
симметричный усилитель с двумя входами
и двумя выходами, относительно которых
коэффициенты усиления равны по
величине и противоположны по знаку.
6.4.1. Общие положения
I к1  I к 2 ,
Uвых д
Iк
Iк
I0
I э1  I э 2 
,
2
Rк 1  Rк 2  Rк ,
U к1  U к 2 ,
U б1  U б2 .
Uвх1
Uвых1
Uвх д
Iэ
Iэ
I0
Uвх2
Uвых2
Общие свойства ДК
• Схема каскада симметрична (рис.1). Он
содержит два транзистора с коллекторными
нагрузками и соединенными эмиттерами, в
общую цепь которых включен резистор R0
(через него протекают постоянные токи
эмиттеров).
• Каскад имеет два симметричных входа (базы),
два симметричных выхода (коллекторы) и
может работать в качестве вычитающего
(дифференциального).
• Однако он может работать и при использовании
одного несимметричного входа, в частности
быть фазоинверсным благодаря наличию двух
выходов.
• Чтобы исходные постоянные напряжения
на базах сделать равными нулю и тем
самым
получить
возможность
подачи
входных
сигналов
без
применения
разделительных
конденсаторов,
коллекторные и эмиттерные цепи должны
питаться от отдельных источников EП1 и ЕП2,
различающихся полярностью.
• Каскад усиливает не только переменную, но и
постоянную составляющую входного сигнала,
т. е. является усилителем постоянного тока.
Сигналы во взаимно-симметричных точках
можно представить комбинацией синфазных и
дифференциальных сигналов:
U1  U2
U cc 
,
2
U дс  U 1  U 2.
Uдс
U дс

U 1  U cc  2 ,

U 2  U  U дс .
cc

2
Uсс
U2
U1
0
1. Ucc=0:
U дс

U 1   2 ,

U 2   U дс .

2
2. U1= Uвх1 , U2= Uвх2=0:
U cc
U дс
U 1  U 2 U вх 1


,
2
2
 U 1  U 2  U вх 1 .
6.4.2. Свойства ДК
На основании принципа суперпозиции в
линейном
приближении
возможно
рассматривать отдельно воздействие на
ДК дифференциального и синфазного
сигналов
и
сделать
оценку
его
показателей.
Характеристики ДК для
дифференциального сигнала
U дс  U бэ 1  U эб 2 
U бэ 1  U бэ 2
U дс  U дс 

 
.
2
 2 
I к 1  S 1  U бэ 1 
I э1  I э 1 I э 2  I э
Uдс
«0»
I э 1  I э 2  I 0 . I 0  R0  Const
U дс
U
 S  дс ; S 1  S 2  S ;
2
2
I к 2  S 2  U бэ 2 
S1 
U
 U 
S 2    дс    S  дс   I к 1 .
2
 2 
I к 2   I к 1 , I э 2   I э 1 ;
I э 1  I э 1  I э 2  I э 2  I э 1  I э 1  I э 2  I э 1  I э 1  I э 2  I 0 .
Эквивалентная
схема ДК для
ДС
U выхдс  U вых 1  U вых 2   K 1  U 1  (  K 2 )  U 2 
U дс
K1  K2
 U дс 
 K1
 ( K 2 )  
 U дс 

2
2
 2 
S  R KH  S  R KH

 U дс   S  R KH  U дс   K  U дс .
2
U выхдс
Kд 
 K .
U дс
K 1д
U вых 1
U вых 2 K
K

  , K 2д 
 .
U дс
2
U дс
2
В ДК часто применяют местную ООС, как
резистивную, так и частотно-зависимую:
1.K 0 
S  R KH
R KH

.
S
Rг  rб
1   RЭ RЭ  rЭ 

1 
U дс
2.Rвхд
U дс
U вх 1
2

 2
 2
 2  RвхОЭ .
I вх
I вх
I вх
3.Rвыхд
U выхд U вых 1  U вых 2



I вых
I вых
U вых 1   U вых 1 


I вых
U вых 1
 2
 2  RвыхОЭ .
I вх
Постоянная
времени ДК
в области ВЧ
S  uбэ
Uвых1
gэкв1
S  uбэ
С01
Uвых2
gэкв2
C0
С02
C0
2
4. 1   2 

,
g экв
g экв
2
В   1 2 .
Характеристики ДК для синфазного
сигнала
Для синфазного сигнала СС входы ДК следует
объединить и, поскольку плечи симметричны,
рассмотреть воздействие на одно плечо.
Ucc
Ucc
Uвых1
Ucc
Для полностью симметричной схемы при воздействии
синфазного сигнала СС разностный сигнал на
выходе ДК отсутствует, поэтому оценивают
выходной сигнал относительно общей шины.
1.K 1c  K 2 c
U вых 1


U cc
S  Rк
Rк

 1.
S
2  R0
1   2  R0

Вывод. ДК ослабляет синфазный входной сигнал
благодаря глубокой ООС по току через R0, поэтому
чем больше R0, тем глубже ОС, тем больше
ослабление СС.
Благодаря глубокой ООС по току через R0:
2.Rвхcc  Rвх 1  Rвх 2     R0 .
3.Rвых   rк .
4. Для расчета температурной нестабильности
можно воспользоваться схемой для СС.
6.4.3. Погрешности ДК
1)Коэффициент ослабления синфазного
сигнала Мс
Отношение коэффициентов усиления дифференциального и
синфазного сигналов называется коэффициентом
ослабления синфазного сигнала
K 1д
Mc 
K 1с
КОСС Мс.
1
  S  R КН
 2

S  R КН

S
1   2 R0

R0
R0
1
S
 S  R0
  1   2 R0  


.
2


h11б
rэ

2)Разбалансы ДК
Источники несимметрии плеч ДК называются
разбалансами. Они обусловлены неидентичностью
элементов плеч ДК. Мерой разбалансов является
относительный выходной дифференциальный
сигнал.
U вых .д . р
U вх .с
U
  вых .с
U вх .с
  rэ  Rэ     Rг
 Rг   Rк   Ri  
 .
 




2
Rк
Ri 
 rэ  Rэ rэ  Rэ
 rэ  Rэ
При воздействии на вход СС на выходе ДК
возникают:
•выходной СС (конечное МС);
•выходной ДС ( разбалансы).
Сигнал, вызванный разбалансами и приведенный
ко входу, является сигналом ошибки. Он
ограничивает чувствительность ДК по входу к
дифференциальному сигналу.
U вх .д . р 
U вых .д . р
Кд
.
3) Погрешности ДК по постоянному току
К ним относятся:
• напряжение смещения нуля и его дрейф;
• входные токи смещения, ток сдвига и их дрейфы.
Iк1
Iк2
Uвых
Iб1
Iб2
Uбэ1 Uбэ2
1. Напряжение, которое необходимо приложить
между входами ДК для достижения условия баланса
Uвых=0 называется напряжением смещения нуля.
U вых  I к 1  Rк 1  I к 2  Rк 2 ;
U вых  0  I к 1  Rк 1  I к 2  Rк 2 ;
Если : Rк 1  Rк 2 ,U вых  0  I к 1  I к 2 .
Неравенство токов в вызвано неидентичностью
транзисторов, в первую очередь разбросом
их
напряжений Uбэ:
U см  U бэ  U бэ 1  U бэ 2
IK1
  T  ln
.
IK1
Дрейфом напряжения смещения нуля называется
его зависимость от дестабилизирующих факторов, в
первую очередь от температуры.
Температурный
дрейф
количественно
характеризуется коэффициентом температурного
дрейфа:
U см  U бэ 1  U бэ 2  U бэ 1 U бэ 2 U бэ U см





 С,
Т
Т
Т
Т
Т
Т
U см
U см ( Т )  U см 0  С  Т , C 
.
Т
1
мкВ
Если : U бэ  1 мВ , то : С 
 3 ,3 о .
300
С
Компенсация действия напряжения смещения
нуля называется балансировкой ДК.
2. Током смещения называется средний входной ток
активных элементов каскада ДК:
I СМ
I Б1  I Б 2

2
Током сдвига (разностным) называется разность
входных токов активных элементов каскада ДК:
I СДВ  I 
 IБ1  IБ 2
I СДВ

,
 I Б 1  I CM 
2

 I  I  I СДВ .
CM
 Б 2
2
• Погрешность напряжения нуля, вызванная
протеканием токов баз транзисторов через
внешние сопротивления, подключенные к их
базам, как это следует из рис., составляет:
U ВХ  I Б 1  R1  I Б 2  R 2 
 I CM ( R1  R 2 )  I СДВ
R1  R 2

.
2
• Температурная зависимость входных токов
ДК определяется :
IЭ
IO
IБ 

,
1   2( 1   )
IO
I CM 
.
2( 1   )
• Температурный
коэффициент,
определяющий
температурный дрейф тока смещения:

  
dI CM 1  1
I O
1

 I CM 
 

 I O   

2 
dT
2  1   T
 ( 1   )  T 
IO
1

1

%


  I CM 
 1 O  I CM .
2 ( 1   ) ( 1   ) T
( 1   ) T
C
• Температурный коэффициент, определяющий
температурный дрейф тока сдвига:
 IСДВ 
dI IСДВ
dT
  I СДВ
1

%

 1 O  I СДВ .
( 1   ) T
C
Вывод: малые токи создают малые
погрешности и имеют малые дрейфы.
Для получения малых погрешностей:
• ток I0 задают малым;
• применяют супер- транзисторы;
• применяют каскады Дарлингтона;
• применяют полевые транзисторы.
Применение ДК в ИМС благодаря
следующим свойствам:
• Способность вычитать, т.е. нечувствительность к
синфазным входным сигналам. Два входа дают
возможность подавать сигнал ОС.
• Высокая симметрия схемы в интегральном
исполнении,
малые
разбалансы
и
малые
погрешности по постоянному току, обеспечивающие
малую
чувствительность
к
температуре
и
производственному разбросу.
• Отсутствие блокировочного конденсатора большой
емкости в цепи эмиттеров и одновременно большой
коэффициент усиления дифференциального сигнала.
6.4.4. Режим большого сигнала ДК
В дифференциальном каскаде
стремятся сделать стабильным:
ток
IO
I O  I Э 1  I Э 2  I K 1  I K 2  Const .
При
воздействии
на
каскад
дифференциального сигнала токи коллекторов
изменяются таким образом, что их сумма всегда
остается постоянной. Определим зависимость
тока коллектора каждого из транзисторов от
входного сигнала.
Ток каждого из транзисторов ДК зависит от
приложенного к его переходу Э-Б напряжения:
I K 1  I SO  e
I K 2  I SO  e
U БЭ 1
m i  Т
U БЭ 2
m i  Т
,
.
Учтем дополнительное условие их связи IO и
получим зависимость:
IK1
IO
IO
IO

 IK1 
 IK1 

IK2
IO
IK1  IK2
1
IK1
UД
IO

1
e
e
U БЭ 2
m i  Т
IO

1 e
U БЭ 2 U БЭ 1
m i  Т
IO

1 e

UД

m i  Т
IO  e
m i  Т
UД
1 e
m i  Т
U БЭ 1
m i  Т
Крутизна
характеристики или
передаточная
проводимость ДК:
dI K 1
gm 

dU Д
1
UД
1 e
m i  T
IK1

.
mi   T
.
Линейный участок, где
gmConst, составляет +-2T.
• Благодаря встречному включению эмиттеров
транзисторов нелинейность
их входных
характеристик частично компенсируется и
результирующая
передаточная
характеристика в средней части имеет
линейный участок.
• Характер
симметрии
передаточной
характеристики
аналогичен
двухтактному
каскаду, поэтому выходное напряжение не
содержит четных гармоник.
• При подаче на вход ДК большого по
амплитуде сигнала
один из транзисторов
каскада переходит в режим отсечки, а другой
пропускает весь ток IO, т.е. ДК работает как
двухсторонний ограничитель .
• При этом каскад не перегружается, т. к.
открытый транзистор не входит в режим
насыщения благодаря
глубокой ООС,
возникающей
через токостабилизирующий
резистор в эмиттерной цепи, снижающий
коэффициент усиления каскада в этом режиме.
• На выходе ДК всегда присутствует емкость
нагрузки, скорость перезаряда которой определяет
скорость
нарастания
выходного большого
сигнала:
dU C
I O 2  I KP 2  m i   T  S
v



.
dt
CO
CO
CO
Из выражения следует, что импульсные
свойства каскада с ростом
исходного тока
коллектора транзисторов ДК улучшаются (растет
скорость нарастания), однако это приводит к росту
входных токов, что увеличивает погрешности
каскада по постоянному току.
С0
I0
6.5. Особенности каскадов мощности: выбор режима
транзисторов, применение радиаторов
• Отличительная особенность оконечного каскада ОК
усилителя - большой уровень выходного колебания.
Максимальные амплитуды токов и напряжений
близки к значениям параметров рабочей точки,
что необходимо для эффективного использования
напряжения и тока источника питания.
• Главным показателем усилителя мощности
является показатель его энергетической
эффективности - коэффициент полезного
действия- КПД.
• Важным показателем
ОК является
показатель нелинейности - коэффициент
гармоник
КГ.
Его
определяют
при
проектировании ОК графическим либо
аналитическим методами.
•Транзистор для ОК выбирают исходя из того,
чтобы максимальные ток, напряжение и
мощность
не
превышали
допустимые.
Одновременно желательно, чтобы его
граничная частота f была не ниже верхней
граничной частоты усилителя.
• Основное требование по тепловому
режиму: температура перехода ТП не
должна
превышать
ТПмакс
(по
справочнику) в заданном диапазоне
температур окружающей среды ТС.
Тепловой поток между переходом П, корпусом
К и средой С создает на своем пути перепад
температур, пропорциональный передаваемой
мощности и тепловому сопротивлению RТ
пути передачи.
П
RТПК
К
RТКС
TП  Т С  Т ПК  Т КС 
 Т С  RТПК  Р К  RТКC  Р К
 Т С  RТПC  Р К .
С
Мощность потерь БПТ при заданной
температуре среды ТС
PКмакс
Т Пмакс  Т С


RТПС
 PКмакс 0
Т Пмакс  Т С

.
Т Пмакс  Т СО
• РКмаксО - постоянная рассеиваемая мощность на
коллекторе при температуре среды ТСО;
• RТПС - тепловое сопротивление переход- среда
(>100 ОК/Вт для транзисторов без теплоотвода),
• ТПмакс - максимальная температура перехода.
По Ркмакс строят на графиках ВАХ линию
максимальной мощности. Линия нагрузки по
переменному току не должна ее пересекать.
В случае пересечения
необходимо
обеспечить дополнительный отвод тепла с
помощью теплоотвода (радиатора).
Iк
БПТ с
теплоотводом,ре
жим в норме
БПТ без
теплоотвода
Нарушен
тепловой
режим для
БПТ без
теплоотвода
Тепловой
режим БПТ в
норме
(режим А)
Uкэ
Уравнение теплового баланса
для транзистора с теплоотводом
TП  Т С  Т ПК  Т КТ  Т ТС 
 Т С  ( RТПК  RТКС )  Р К ,
PКмакс
Т Пмакс  Т С

.
RТПK  RТKC
Значение RТПК приводится
в
справочнике и составляет 1-10 ОК/Вт
для мощных транзисторов.
RТКС
1

,
 Т  ST
SТ - полная площадь теплоотвода,
T- коэффициент теплоотдачи
(0,6-1,5) мВт/см2 0С.
Максимальная мощность рассеяния
на коллекторе БПТ с теплоотводом
при температуре среды ТС
PКмакс
Т Пмакс  Т С

.
1
RТПK 
 T  ST
Двухтактные каскады мощности в
режиме В. Простейшие схемы
В качестве оконечных каскадов чаще
применяют двухтактные каскады, так как
они позволяют получить более высокий
КПД или более низкие нелинейные
искажения.
•Двухтактный каскад содержит два
транзистора, работающие на общую нагрузку
и управляемые взаимно противофазно.
•Двухтактный каскад состоит из двух
искажения.
•Двухтактный каскад содержит два
транзистора, работающие на общую нагрузку
и управляемые взаимно противофазно.
•Двухтактный каскад состоит из двух
половин, называемых плечами.
Бестрансформаторный
двухтактный каскад(схема)
R2  R3  R1  R4
ЭП
ОЭ
Двухтактные каскады в
режиме А и АВ.
Двухтактные каскады могут работать также в
режиме А. Для этого на транзисторы
подается
постоянное
отпирающее
смещение, которое задает ток коллектора
каждого транзистора в исходно рабочей точке
Iкр. Смещение обычно подается с помощью
резистивного делителя (R1, R2). В
бестрансформаторных усилителях его ток
одновременно используется для питания
предоконечного транзистора.
Школа Н.Ф.:
ФАКУЛЬТАТИВНО
Параллельная ОС
по питанию
(вольтодобавка)
-C3R6 (R6>>R7)
R4 задает смещение
VT2,VT3в режим АВ
(Uсм=Iк1R4)
R2 задает
смещение VT1
и ООС
по напряжению
Школа Н.Ф.:
ФАКУЛЬТАТИВНО
6.6. Каскады усиления на полевых
транзисторах
6.6.1. Смещение и стабилизация ИРТ в
каскаде на полевом транзисторе
Iс
Iзо
 I з 0  Rз  U зи 
 Rи  I и  Еп 2 ;
Iс  I и ; I з0  0 ;
Iи
Еп 2  U зи
Iс 
.
Rи
Сквозная (проходная) ВАХ ПТ с управляющим
р-п- переходом:

U зи
I c  I c ( 0 )   1 
U отс

2

 

 S ( 0 )  U отс  
U зи

   1 
2
U отс

 
2  Ic ( 0 )
S( 0 ) 
.
U отс
2

 ;

ИРТ1
Ic(0)
ИРТ2
Icр
Uотс
Uзир
0
Линия
нагрузки.
Еп2=5В
Для заданной ИРТ крутизна
нестабильность тока стока:
Ic
S  S( 0 ) 
;
Ic ( 0 )
I c 
I c
Ic
I c
1  Rи  S
%
 0 ,6 0 .
C
;
и
6.6.2. Анализ усилительных свойств
каскада ОИ на ПТ
1. Предпосылки анализа аналогичны
рассмотренным для каскада ОЭ.
2. Матрица низкочастотных g-параметров:
0
gij  
S
0
.

gi 
3.
Матрица
параметров:
высокочастотных
y-
 y 11  j  C зи  С зс  y 12   j  С зс 
Y 
.

y 22  gi  j  С зс 
 y 21  S  j  С зс
З
Сзс
S  uзи
Сзи
И
С
gi
И
4. Частотные свойства каскада ОИ
y вх  y 11  y 12  K  y 11  y 12  (  K 0 ) 
j  C зи  C зс    j  C зс   (  K 0 ) 
 j  C зи  1  K 0   C зс   j  Свхдин .
Свхдин  C зи  1  K 0   C зс .
y 21  S  j  С зс  S .
Полная эквивалентная схема каскада ОИ
на ПТ с управляющим р-п- переходом:
Сс1
З
Свх дин1
С Сс Свх
дин2
Rг
Ег Uвх
gз1
И
S  uвх g
i
Сзс
gс1 gз2
И
Uвых
4.1. Свойства каскада ОИ в области СЧ
K   K0 ;
S
S
K0 

g i  gc  g з g i  gc
S  Ri  Rc
 i  Rc


.
Ri  Rc
Ri  Rc
4.2. Свойства каскада ОИ в области ВЧ
S
K В ( j )  

g экв  j  С 0
К0

;
1  j   В
С0
В 
 С0  Rэкв ;
g экв
С0  С зс  С н .
Выбор
полевого
транзистора
по заданным
верхней
граничной
частоте и
коэффициенту усиления
каскада ОИ
S
S0

С0 С0
Ic
 K 0 ТЗ   ВТЗ ;
Ic ( 0 )
 С 0  K 0 ТЗ   ВТЗ
I c  I c ( 0 )
S0

2

 



С 0  K 0 ТЗ  2  f ВТЗ

 Ic ( 0 )

2  Ic ( 0 )

U отс


 U



 



 С 0  K 0 ТЗ  f ВТЗ 
.
Ic ( 0 )
2
отс
2
4.3. Свойства каскада ОИ в области НЧ
K н ( j )  
К0

1 
 1 

j   н 

.
 Rc  Ri

 н  Сс  
 Rз   Сс  Rз .
 Rc  Ri
