|
|
ОБ |
ОК |
|
|
Сотни Ом |
Единицы, десятки Ом |
Единицы кОм |
|
|
Единицы кОм |
Единицы кОм |
Единицы, десятки Ом |
|
|
>>1 |
>>1 |
<1 |
|
|
>>1 |
<1 |
>>1 |
|
2.9. Усилительный каскад на полевом транзисторе с ОИ
Среди усилительных каскадов, выполненных на полевых транзисторах, наиболее широкое применение получил каскад, в котором ПТ включен по схеме с общим истоком. На рисунке 2.29 приведена принципиальная схема наиболее распространенного варианта каскада с ОИ с цепью автосмещения, служащей для обеспечения режима работы ПТ по постоянному току.
Если БТ разделяется на два типа - p-n-p и n-p-n, отличающиеся противоположными полярностями питающих напряжений, то разновидностей ПТ существует, по меньшей мере, шесть. Рассмотрим схему рисунка 2.29, где изображен ПТ с p-n переходом и n-каналом. Анализ каскадов на других типах ПТ будет отличаться лишь в незначительных деталях.
Выходные статические вольтамперные характеристики (ВАХ) ПТ представлены на рисунке 2.30. В отличие от БТ, у ВАХ ПТ имеется значительная область управляемого сопротивления, в которой возможно использование ПТ в качестве электронного управляемого резистора. В качестве усилительного элемента ПТ используется в области усиления.
В отсутствие входного сигнала каскад работает в режиме покоя. С помощью резистора задается напряжение смещения , которое определяет ток покоя стока .
Координаты рабочей точки определяются соотношениями:
,
где - граница области управляемого сопротивления на выходных статических характеристиках транзистора (рисунок 2.30), ;
,
где - сопротивление нагрузки каскада по переменному току;
,
где - напряжение отсечки, - ток стока при (либо при для ПТ в режиме обогащения, см. рисунок 2.33 в подразделе 2.10).
С помощью резистора , помимо задания необходимого напряжения смещения, в каскад вводится ООС , способствующая термостабилизации (у ПТ как и у БТ наблюдается сильная температурная зависимость параметров), на частотах сигнала эта ОС устраняется путем включения .
Графически проиллюстрировать работу каскада с ОИ можно, используя проходные и выходные статические характеристики ПТ, путем построения его динамических характеристик. Построение во многом аналогично каскаду с ОЭ и отдельно не рассматривается.
Нетрудно показать, что каскад с ОИ, как и каскад с ОЭ, инвертирует входной сигнал.
На рисунке 2.31а,б,в приведены, соответственно, малосигнальные схемы для областей СЧ,НЧ, и ВЧ.
Для расчета параметров усилительного каскада по переменному току удобно использовать методику, описанную в разделе 2.3, а ПТ представить моделью, предложенной в разделе 2.4.2.
В результате расчета в области СЧ получим:
,
где ;
,
.
Эти соотношения получены в предположении, что низкочастотное значение внутренней проводимости транзистора много меньше и . Это условие (если не будет оговорено особо) будет действовать и при дальнейшем анализе усилительных каскадов на ПТ.
В области ВЧ получим:
,
где - постоянная времени каскада в области ВЧ, ;
,
где ;
.
Выражения для относительного коэффициента передачи и коэффициента частотных искажений и соотношения для построения АЧХ и ФЧХ каскада с ОК аналогичны приведенным в разделе 2.5 для каскада с ОЭ.
В области НЧ получим:
,
где - постоянная времени разделительной цепи в области НЧ. далее все так же, как для каскада с ОЭ.
2.10. Термостабилизация режима каскада на ПТ
Различают, по крайней мере, шесть типов ПТ, показанные на рисунке 2.32.
Проходные характеристики n-канальных ПТ в режиме обогащения, смешанном и обеднения приведены, соответственно на рисунке 2.33а,б,в, для p-канальных ПТ они будут отличаться противоположной полярностью питающих напряжений.
С помощью рассмотренной схемы автосмещения (рисунок 2.29) возможно обеспечение требуемого режима по постоянному току для ПТ, имеющих проходную характеристику, изображенную на рисунке 2.33а, и - (при отрицательном смещении) - на рисунке 2.33б. Более универсальной схемой питания ПТ является схема с делителем в цепи затвора (рисунок 2.34), способ
ная обеспечить любую полярность напряжения смещения .
В [1] приведен ряд полезных практических соотношений:
где соответствующие токи показаны на рисунке 2.33, а - крутизна при токе стока равном .
В ПТ температурная нестабильность тока стока обусловлена следующими факторами (при росте температуры):
¨ увеличением тока стока за счет теплового смещения проходных характеристик (как и в БТ) при малых значениях тока покоя стока ;
¨ уменьшением тока стока за счет удельного сопротивления канала в широком диапазоне изменения тока покоя стока .
Следовательно, у некоторых типов ПТ возможно существование термостабильной точки покоя (рисунок 2.35).
Координаты термостабильной точки и соответствующую им крутизну можно приближенно оценить по следующим соотношениям [1]:
Поскольку ток относительно мал, можно сделать вывод, что широком диапазоне изменений тока стока последний уменьшается с ростом температуры.
Рассмотренные основные схемы питания ПТ осуществляют термостабилизацию режима за счет ООС (последовательной по постоянному току) аналогично каскаду на БТ, т.е. уход тока стока уменьшается в раз. Собственно определяется по справочным данным, составляющую теплового смещения проходных характеристик можно определить по аналогии с БТ. Отрицательная температурная зависимость тока стока ПТ может быть использована в целях термокомпенсации каскадов на БТ.
2.11. Усилительный каскад на полевом транзисторе с ОС
Вариант схемы каскада с ОС с автосмещением приведен на рисунке 2.36, схемы для областей СЧ,ВЧ и НЧ приведены, соответственно, на рисунках 2.37а,б,в.
Каскад с ОС называют еще "истоковым повторителем" или "повторителем напряжения, т.к., аналогично каскаду с ОК, можно показать, что коэффициент передачи по напряжению этого каскада меньше единицы, и что каскад с ОС не инвертирует фазу входного сигнала.
Графический анализ работы усилительного каскада с ОС проводится как для ОЭ (см. раздел 2.5).
Для расчета параметров каскада с ОС по переменному току используем методику раздела 2.3, а ПТ представлять моделью предложенной в разделе 2.4.2.
Проведя анализ, получим для области СЧ:
,
где , - глубина ООС;
,
,
где - выходное сопротивление собственно транзистора, .
В целом
,
потому, что, как правило, .
В области ВЧ получим:
,
где - постоянная времени каскада в области ВЧ, определяемая аналогично ОИ;
,
где ;
.
Выражения для относительного коэффициента передачи и коэффициента частотных искажений и соотношения для построения АЧХ и ФЧХ каскада с ОК аналогичны приведенным в разделе 2.5 для каскада с ОЭ.
В области НЧ получим:
,
где - постоянная времени разделительной цепи в области НЧ. далее все так же, как для каскада с ОИ.
Усилительный каскад с ОЗ (рисунок 2.38) на практике используется
редко, поэтому отдельно рассматриваться не будет. Отметим только, входное сопротивление каскада определяется аналогично выходному для истокового повторителя (), а остальные параметры- аналогично ОИ.
Характеристики ПТ при различных схемах включения приведены в таблице 2.2.
Таблица 2.2
Характеристики ПТ при различных схемах включения
Параметр
Схема
ОИ
ОЗ
ОС
Единицы МОм
Единицы, десятки Ом
Единицы МОм
Единицы кОм
Единицы кОм
Единицы, десятки Ом
>>1
>>1
<1
-
@1
-
2.12. Временные характеристики усилительных каскадов
2.12.1. Метод анализа импульсных искажений
Рассмотренные усилительные каскады могут быть использованы для усиления импульсных сигналов. Для оценки искажений формы усиливаемых импульсных сигналов необходимо рассмотреть переходные процессы в усилительных каскадах. При анализе переходных процессов будем считать каскады линейными, т.е. амплитуда сигналов в них существенно меньше постоянных составляющих токов и напряжений в рабочей точке. В этом случае наиболее удобным методом анализа является преобразование Лапласа (операторный метод).
Временной процесс в электрической цепи описывается системой интегро-дифференциальных уравнений (СИДУ). Применяя прямое преобразование Лапласа (ППЛ), приводят СИДУ к системе линейных алгебраических уравнений (СЛАУ), которая просто решается относительно некоторой промежуточной функции, по которой с помощью обратного преобразования Лапласа (ОПЛ) находится решение для исходной СИДУ.
ППЛ функции вещественного переменного f(t) ("оригинала") служит для нахождения преобразованной функции f(p) ("изображения") и определяется соотношением:
.
ОПЛ определяется формулой:
,
где .
Практически "оригинал" f(t) находят по изображению f(p) с помощью таблиц [6], три примера приведены в таблице 2.3.
Таблица 2.3
Обратное преобразование Лапласа
f(p)
f(t)
Вид f(t)
1
Из теоремы о предельных значениях следует, что если f(t)ºf(p), то:
.
Применительно ПХ h(t) получим:
,
где Y(p) получается из АЧХ заменой jw на p, и учитывая, что "изображение" единичного скачка равно 1/p (см. таблицу 2.3).
Из последнего выражения следует, что при временном анализе усилительного каскада возможно отдельное рассмотрение областей малых времен (МВ) и больших времен (БВ) по схемам каскада для областей ВЧ и НЧ соответственно, и нахождения и D (см. рисунок 2.5).
Итак, анализ усилительных каскадов при импульсных сигналах сводится к следующим операциям:
¨ зная Y(jw), заменой jw на р и делением на р полученного выражения переводят его в "изображение" ПХ h(p);
¨ пользуясь таблицей, по h(p) находят "оригинал" ПХ h(t);
¨ рассматривая h(t) для схемы каскада в ВЧ области, находят , d и их зависимость от элементов;
¨ рассматривая h(t) для схемы каскада в НЧ области, находят D и его зависимость от элементов;
¨ исходя из допустимых искажений импульсного сигнала, получают формулы для выбора элементов схемы каскада.
Из-за сильного изменения параметров транзистора от тока при больших амплитудах импульсного сигнала (одного порядка с амплитудами напряжения и тока в рабочей точке) и использовании упрощенных моделей ПТ и БТ (до 0,5), что не позволяет вести учет высших гармонических составляющих спектра сигнала, вносящих существенный вклад в искажения формы сигнала, эскизный расчет усилительных каскадов во временной области характеризуется большей (в сравнении с расчетом в частотной области) погрешностью.
В какой-то степени скорректировать погрешность можно путем учета времени запаздывания (см. рис.2.4), и усреднением параметров транзистора за время действия импульсного сигнала (рисунок 2.39).
В отличие от усилительных каскадов гармонических сигналов, при выборе транзисторов для импульсных каскадов следует учитывать полярность выходного сигнала при выборе типа проводимости транзистора с целью экономии энергии источника питания. Если ИУ предназначен для усиления однополярного сигнала, то с энергетических соображений рекомендуется брать транзистор проводимости p-n-p для выходного сигнала положительной полярности n-p-n - для отрицательной.
На рисунке 2.39а проиллюстрирован процесс выбора рабочей точки для импульсных сигналов с малой скважностью (Q£10). Скважность Q определяется как отношение длительности периода следования импульсов к их длительности. Определить координаты рабочей точки (и точки, для которой рассчитываются параметры транзистора) можно, используя следующие соотношения:
;
.
На рисунке 2.39б проиллюстрирован процесс выбора рабочей точки для импульсных сигналов с большой скважностью (Q>10). Определить координаты рабочей точки можно, используя следующие соотношения:
.
Выбор ограничен снизу нелинейной областью характеристик транзистора и необходимым допуском на возможное его уменьшение при изменении температуры, обычно .
Расчет усредненных параметров транзистора в этом случае следует вести для точки с координатами:
;
.
Для импульсных сигналов типа "меандр" (Q=2) выбор рабочей точки и типа проводимости транзистора аналогичен случаю гармонического сигнала.
Хотя приведенные выше соотношения ориентированы на БТ, на них следует ориентироваться и при расчете каскадов на ПТ, учитывая особенности последних.
2.12.2. Анализ усилительных каскадов в области малых времен
Выражение для относительного коэффициента передачи усилительных каскадов на БТ и ПТ в области ВЧ имеет вид:
.
Получим выражение для переходной характеристики:
.
По таблице 2.3 получим "оригинал":
.
Воспользовавшись определением времени установления (см. рисунок 2.4), получим:
;
отсюда ;
;
отсюда ;
тогда ;
и окончательно получаем:
.
Из анализа выражения для следует, что процесс установления амплитуды заканчивается через , следовательно, чтобы не было уменьшения каскада из-за не достижения установившегося режима, необходимо, чтобы длительность импульса была:
.
Учесть время запаздывания для каскада на БТ можно следующим образом:
.
2.12.3. Анализ усилительных каскадов в области больших времен
Выражение для относительного коэффициента передачи усилительных каскадов на БТ и ПТ в области НЧ имеет вид:
.
Получим выражение для переходной характеристики:
.
По таблице 2.3 получим "оригинал":
.
При , разлагая в степенной ряд и ограничившись двумя членами, при (рисунок 2.40) получаем для случая малых искажений
плоской вершины импульса (D£20%):
,
откуда:
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12
При использовании материалов активная ссылка на источник обязательна.