Підсилюючий каскад зі СК (емітерний повторювач)

 

R_Е – навантаження підсилювача за постійним струмом, яке одночасно забезпечує температурну стабілізацію режиму спокою. Призначення решти елементів таке ж, як і у схеми зі СЕ.

Вихідна напруга співпадає за фазою з вхідною.

Оскільки у емітерного повторювача І_Е приблизно дорівнює І_К, графоаналітичний розрахунок його параметрів можна вести, використовуючи побудови, наведені у попередій лекції.

Параметри повторювача, аналогічні параметрам каскаду зі СЕ.

1. К_І=І_нm /І_Бm=І_Е R_Е /(R_Е + R_н) І_Бm =(β+1) R_Е /(R_Е + R_н)»1.

2. К_U=U_вихm /U_вхm= U_вихm /(U_вихm + U_БЕ) <1; U_БЕ «U_вихm, тому К_U≈1

3. R_вх = U_вихm /I_вхm= R_Б+(β+1)(R_Е + R_ЕБ),

де R_Б – опір бази;

R_Е – опір у колі емітера;

R_ЕБ – опір емітерного переходу;

Якщо вважати, що R_Б →0 і R_ЕБ →0, то R_вх = U_вихm /I_вхm= (β+1)R_Е.

4. R_вих = R_ЕБ +(R_Б+ R_дж)/(β+1)- має мале значення.

Каскади зі СК застосовують як узгоджувальні, коли джерело сигналу має великий R_вих, а навантаження (наприклад, каскад підсилення зі СЕ) має малий R_вх.

Оскільки каскад не змінює фази і не підсилює напруги вхідного сигналу (К_U ≈1), то його називають повторювачем.

 

Складені транзистори

Складеним транзистором називається комбінації з двох і більше трнзисторів, з'єднаних так, що у цілому конструкція, як і одиночний транзистор, має три зовнішніх виводи і застосовують для значного підвищення коефіцієнта підсилення за струмом.

Складені транзистори широко використовуються в підсилювальній техніці: у аналогових інтегральних схемах, в сучасних підсилювачах з безтрансформаторним двотактним виходом, в емітерних повторювачах з великими вихідними струмами і т.д.

Схема (пара) Дарлінгтона - найчастіше використовується і виконана на транзисторах одного типу провідності.(рис.а).

 

в)

 

 

Схему Дарлінгтона можна включати зі СЕ, СК, СБ, використовуючі при цьому транзистори p-n-p i n-p-n типу. Найбільший ефект дає включення складеного транзистора за схемою зі СЕ і СК; у схемі зі СБ підсилення пари Дарлінгтона мало відрізняється від підсилення звичайного транзистора.

На схемі а) вхідний струм є струмом бази першого транзистора. Після підсилення останнім у β₁ разів він подається у базу другого транзистора, яким підсилюється ще в β₂ разів. У результаті загальний коефіцієнт підсилення за струмом становить

β = β₁ · β₂.

Дійсно, І_б2= І_Е1=(h_21е1+1) І_б; І_К = h_21е1 І_б + h_21е1 І_б2,

де h_21е1 = І_К1 / І_б, h_21е2 = І_К2 / І_б2 - коєффициенти підсилення за струмом схеми зі СЕ першого і другого транзисторів відповідно. Тоді еквівалентний коефіцієнт підсилення за струмом пари Дарлінгтона

h_21е = І_К / І_б =[h_21е1 І_б+h_21е2 (h_21е1 +1) І_б ]/ І_б = h_21е1 + h_21е2 + h_21е1 h_21е2, тобто еквівалентний коефіцієнт підсилення за струмом практично рівний добутку коефіцієнтів підсилення транзисторів h_21е1 і h_21е2.

Якщо транзистори в парі Дарлінгтона однакові, то h_21е ≈ h_21е1 ≈ h_21е2.

Таку схему широко застосовують як у дискретному виконанні, так і в інтегральному. На рис. в), наведено еквівалентну схему потужного транзистора КТ829, що має β ≥ 750.

Тут резистори R ₁ i R ₂ забезпечують відведення від бази зворотного струму колекторних переходів, а діод VD захищає структуру від дії зворотної напруги.

Схема складеного транзистора, виконаного на транзисторах різного типу провідності – схема Шиклаї, наведена на рис. в). Її особливості є те, що тип провідності конструкції у цілому визначається типом провідності першого транзистора. У даному разі ми маємо еквівалент транзистора p - n -p - типу.

h_21е = h_21е1 + h_21е1 h_21е2 ≈ h_21е1 h_21е2, практично рівний еквівалентному коефіцієнту підсилення за струмом пари Дарлінгтона.

 

Каскодна схема. Варіантом складеного транзистора є каскодна схема, що є послідовним включенням за змінним струмом двох транзисторів (рис.4.9).

Вхідний транзистор VT1 включений по схемі зі СЕ, вихідний – по схемі зі СБ. Вихідний струм такого складеного транзистора І_К2 = h_21б2 І_Е2 = h_21б2 І_К1 = h_21б2 (h_21б1 І_Е1).

Тоді еквівалентний коефіциент підсилення за струмом

h_21б = І_К2 / І_Е1 = h_21б1 h_21б2.

Отже, коефіциент підсилення емітерного струму при каскодному з'єднанні мало відрізняється від відповідного коефіциента підсилення одного транзистора VT1. Вхідний опір каскодного підсилювача визначається вхідним опором транзистора VT1 і не залежить від опору навантаження.

Каскодна схема в порівнянні із звичайним підсилювальним каскадом за схемою зі СЕ не дає виїграша по коефіцієнту підсилення і по вхідному і вихідному опорах. Проте він володіє найважливішою перевагою - слабким зв'язком між виходом і входом такого складеного транзистора.

 

Диференційний підсилювач

Диференційним підсилювачем (ДП) називається підсилювач, який працює по принципу збалансованої мостової схеми і підсилює різницю двох напруг.

Балансні ППС будуються на основі чотириплечого моста з пара­лельним балансом, схема якого наведена на рис. 4.3.

 

 

Рис. 4.3 -Чотириплечий міст

Умова балансу моста: R1/R2 = R3/R4. Тут U₁₂ = 0.

Напруга на виході мосту не за­лежить від змін напруги живлення чи від пропорційних змін параметрів плечей.

 

Рис.2

Схема з симетричними Схема з симетричним входом Схема з несиметричним входом входом і виходом і несиметричним виходом і симетричним виходом, несимет-

ричним входом і виходом

Рис.3 Рис.4 Рис.5

Коефіцієнт підсилення ДП залежить від способу підключення вхідного сигналу та навантаження:

1) з симетричними входом і виходом - вхідна напруга подається одночасно на обидва входи і навантаження підключається між виходами VT1 і VT2 (рис.3); такий ДП використовується як проміжний в трьохкаскадних ППТ і операційних підсилювачах або як вхідний;

2) з симетричним входом і несиметричним виходом - вхідна напруга подається на обидва входи, а навантаження підключається до одного з виходів схеми і до корпусу (рис.4); подібний ДП застосовується як проміжний в трьохкаскадних операційних підсилювачах

3) з несиметричними входом і симетричним виходом- вхідна напруга подається тільки на один із входів, а навантаження підключається між виходами VT1 і VT2 (використовується U_ВИХ.Д - рис.5); він може застосовуватися як вхідний в трьохкаскадних ППТ і операційних підсилювачах

4) з несиметричними входом і виходом- навантаження підключається до одного з виходів схеми (використовується U_ВИХ2 - рис.5); (вхід VT2 транзистора (база) в загальному випадку заземлен за змінним струмом.

Визначимо показники ДП при його включенні з симетричним і входом і виходом (рис.3). Розрізняють дію на ДП протифазного і синфазного сигналів.

В ДП вхідні напруги подаються в базові кола транзисторів, а вихідна напруга знімається між колекторами транзисторів, тобто вихідна напруга на симетричному виході пропорційна диференційному (різницевому) вхідному сигналу або сумі протифазних напруг

U_ВИХ.Д = К_U (U_ВХ1 - U_ВХ2)= К_U U_ВХ.Д. U_ВХ.Д = U_ВХ1 - U_ВХ2

Отже, U_ВИХ.Д не залежить від абсолютного значення напруги вхідних сигналів, а визначається їх різністю. Оскільки на транзистори VT1 і VT2 (рис.2) діють протифазні напруги, то струми емітерів цих транзисторів також змінюються в протифазі. Прирощення одного струму буде компенсуватися прирощенням другого, через резистор R_Е протікає тільки постійний струм І₀ = І_Е1 + І_Е2 ≈ 2І_{Е .}

При дії на ДП протифазних сигналів змінна напруга на R_Е відсутня, ВЗЗ через наявність R_Е також відсутній.

Якщо параметри транзисторів диференційного підсилювача рівні, і

Rк = Rк₁ = Rк₂, то К_UД = К_U1 = К_U2= U_{ВИХ Д} / U_ВХД = ≈ h_21Е Rк/ h₁₁

Вхідний опір диференційного підсилювача з симетричним входом дорівнює:

R_{ВХ Д} = U_{ВХ Д} / І_ВХ = (U_ВХ1 + U_ВХ2) / І_б = 2 R_{ВХ Е} = 2 h₁₁

Вихідний опір R_{ВИХ Д} ≈ 2 Rк

При дії на ДП синфазного сигналу обидва транзистори працюють на R_Е як би паралельно, тобто при дії вхідного сигналу обидва транзистори відкриваються. Їх вхідні струми, а, отже, і струми емітерів одночасно збільшуються. В результаті через R_Е матиме місце подвійний приріст струмів емітерів і на R_Е з'явиться напруга. Ця напруга є для транзисторів VT1 I VT2 напругою послідовного ВЗЗ за струмом, яка змінює вхідний опір і коефіцієнт підсилення ДП.

Якщо схема повністю симетрична, при дії синфазного сигналу зміна струмів колекторів плеч ДП буде рівна і рівна зміна напруг U_ВИХ1 i U _ВИХ2. Тому на симетричному виході ДП U_ВИХ.Д =0, тобто синфазний сигнал повністю знищується.

Важливим показником ДП є коефіцієнт підсилення напруги синфазного сигналу К_UСФ = U_ВИХ1 / U_ВХСФ = U_ВИХ2 / U_ВХСФ.

Оскільки для синфазного сигналу в ДП діє ВЗЗ, то

К_UСФ =h₂₁ R_К / R_ВХ.ЗЗ ,

де R_ВХ.ЗЗ – вхідний опір ДП для синфазного сигналу.

Вважаючи І_ВХ = І_б,R_ВХ.ЗЗ = U_ВХСФ/ І_б.

На практиці повного знищення постійного рівня синфазного сигналу не відбувається тому, що параметри навіть інтегральних транзисторів і резисторів не можуть бути ідеально узгоджені між собою. Тому деяка частина вхідного синфазного сигналу також підсилюється, вносячи у вихідну диференційну напругу синфазну складову:

U_ВИХ = К_UД (U_ВХ1 - U_ВХ2) + К_UСФ U_ВХСФ, U_ВХСФ =0,5(U_ВХ1 + U_ВХ2)

де К_UСФ ≈ Rк/2 R_Е – коефіцієнт підсилення синфазної вхідної напруги.

Коефіцієнт ослаблення синфазного сигналу: К_О.Сф.С = К_UД/ К_UСФ ≈ R_Е./ r_Е,

він характеризує якість роботи ДП і показує його здатність виділити слабкий протифазний сигнал на фоні сильної синфазної перешкоди.

Чим більше значення коефіцієнта ослаблення синфазного сигналу К_О.Сф.С , тим кращий диференційний підсилювач.

Для кращого подавлення синфазної напруги (перешкоди) необхідно включати великий опір в коло емітера. Резистор R_Е >> h_11Е - призначений для стабілізації емітерного струму. Струм через нього дорівнює: І₀ = І_Е1 + І_Е2 ≈ І_К1 + І_К

Опір резистора в колі емітера R_Е не можна брати дуже великим, тому що через емітерний опір протікає струм спокою обох транзисторів, що викликає велике падіння постійної складової напруги. Тому для подавлення синфазної складової напруги в якості емітерного резистора R_Е використовують схеми генераторів стабільного струму (ГСС)(схема на транзисторах), які мають малий опір для постійної складової і великий опір для змінної складової (диференційний опір) (рис.1).

 

 

 

 

 

Схема з симетричними Схема з симетричним входом Схема з несиметричним входом входом і виходом і несиметричним виходом і симетричним виходом, несимет-

ричним входом і виходом