Каскад с эмиттерными (истоковыми) связями

Каскад с эмиттерными (истоковыми) связями. Вниманию телезрителей предлагаю весьма полезный материал, по применению полупроводниковых транзисторов в электронных схемах. Это азбука транзисторной схемотехники. Более подробно аналогичные сведения можно глянуть в белорусском журнале Радиолюбитель, №№4..12 за 1994 год.

Дифкаскад.1.Упрощённые схемы каскадов с комбинированными связями.

Одно из основных достоинств таких каскадов состоит в том, что выходная цепь таких усилительных каскадов благодаря низкоомной связи (низкоомного выходного каскада с ОК с низкоомным входным каскадом с ОБ) слабо связана с входной. Очевидно, что в таких схемах эффект Миллера отсутствует. Входное сопротивление каскада на биполярных транзисторах (без учёта входного делителя) равно входному сопротивлению каскада с ОК: Rвх=rб+(1+h21э)h11б2. Входное сопротивление каскада с полевым транзистором на входе определяется, в основном, входным делителем. Выходное сопротивление соответствует выходному сопротивлению каскада с ОБ (ОЗ).Коэффициент усиления по напряжению равен произведению коэффициентов передачи каскадов с ОК (ОИ) и с ОБ (ОЗ), а так как коэффициент передачи каскада ОК (ОИ) примерно равен единице, то по существу коэффициент усиления определяется вторым множителем. Таким образом входные и выходные и выходные параметры таких каскадов соответствуют параметрам каскадов с ОК (ОС) и ОБ (ОЗ) соответственно.

2.Пример использования каскада для усиления сигналов ВЧ. 3.Широкополосный генератор. При изменении резистора R1 в пределах 50 МОм ... 10 кОм имеет перестройку частоты выходного сигнала от 100Гц до 400кГц. 4.Высокочастотный генератор. Период следования импульсов T=3.1RC; частота - до 50МГц.

5.Пример применения каскада с эмиттерными связями в фазовом детекторе. 6.Простейший балансный преобразователь частоты. Достоинства: 1. Компенсация всех синфазных помех, в тои числе сигнала гетеродина и его шумов; 2. Компенсация чётных гармоник, что приводит к уменьшению числа побочных каналов. Более сложные смесители выпускаются в микросхемном исполнении, наиболее простой из них К174ПС1 - аналоговый перемножитель Джильберта. 7.Пример применения каскада с эмиттерными связями в электронном регуляторе усиления. Введение обратной связи с помощью резисторов R6,R7 позволяет существенно снизить искажения сигнала. Отношение резисторов выбирают в пределах: R7/R6=2...10.

8.Электронный регулятор по японскому патенту. 9.Регулятор с расширенной линейной областью на 15дБ за счёт линеаризирующих диодов (при входном напряжении 50 мВ имеет коэффициент гармоник на выходе 0.1%). 10.Высоколинейный детектор огибающей. Входное напряжение не должно быть более 100мВ. При этом с коллекторов снимается верхняя, а с эмиттеров - нижняя огибающая АМ - сигнала. 11.Пример применения в усилителе - ограничителе ЧМ - сигнала. Контур выделяет первую гармонику. Ток транзистора VT2 имеет форму, близкую к прямоугольной. В микросхемном исполнении контур заменяют обычным резистором. Введение каскодной развязки с нагрузкой уменьшает амплитудно-фазовую конверсию 13. 14.Ограничитель другого типа.

15.Дифференциальный (балансный) каскад. Позволяет решать задачу усиления сигналов с частотой от нуля (постояноого тока) до сотен МГц и при этом:- даёт малую ошибку разбаланса входов за счёт взаимной компенсации Uбэ;- стабилен по температуре и по времени благодаря согласованным изменениям параметров транзисторов;- обладает способностью усиливать только дифференциальные сигналы и "не реагировать" на синфазные напряжения;- имеет высокую линейность и скорость нарастания, особенно каскады на полевых транзисторах (ПТ);- обладает высокой устойчивостью за счёт того, что входной и выходной токи попадают в шины общего провода (земли) и питания, замыкаясь через генератор и нагрузку, что особенно важно в УВЧ. Для наглядности ниже показана схема четырёхплечного моста как элемента, не обладающего дрейфом. Если мост сбалансирован, т.е. R1/R2=R3/R4, то при изменении напряжения питания баланс не нарушается и ток нагрузки равен нулю. В дифкаскаде роль резисторов играют транзисторы: Входное сопротивление ДК на БТ равно:Rвх=4h21э fт/Iэсм, где Iэсм - общий (суммарный) эмиттерный ток смещения. Коэффициент усиления по напряжению Кu=RкIэсм/2fт при Rк1=Rк2.Искажения ДК на биполярных транзисторах при малых сигналах:Кг=Um^4/4ft^4,в то время как каскад с ОЭ имеет Кг=Um^2 ft^2/(ft+IэRэ)^4, а при Rэ=0 Кrmax=Um^2/ft^2где Um - амплитуда входного сигнала. Нетрудно подсчитать, что дифкаскад имеет искажения в 100 раз меньшие, чем каскад с ОЭ с Rэ=0 и Um=5мВ. В то же время, искажения каскада на транзисторах разной проводимости довольно значительны. Поэтому для их уменьшения целесообразно включить между эмиттерами транзисторов резистор 100 Ом и более. Перегрузочная способность ДК на ПТ примерно в 100 раз выше, т.к. Uотс/ft=100. Так, например, при Uотс=2.6В, Uвхmax=1.5В при Кг=1% на выходе, в то время как для биполярных транзисторов при том же коэффициенте гармоник Uвхmax=17мВ. К недостаткам ДК на ПТ можно отнести меньший (примерно в 4 раза) коэффициент усиления и большее напряжение смещения, которое сводится к минимуму использованием интегральных сборок, а так же тщательной подборкой транзисторов по параметрам и установкой их на общем радиаторе. Кроме того, при замене резистора в эмиттерной цепи ДК на ГСТ образуется очень глубокая отрицательная ОС по синфазному сигналу и сильное ослабления дрейфа. Другой недостаток ДК (в том числе и на БТ) заключается в том, что эквивалентная шумовая ЭДС симметричного ДК в 2^0.5 раз (на 3 дБ), несимметричного ДК с пассивным генератором тока - в 2 раза (на 6 дБ), а несимметричного ДК с активным генератором тока - на 7-8 дБ превышает при прочих равных условиях эквивалентную шумовую ЭДС каскада с ОЭ на одном транзисторе. Это вытекает из того, что источник сигнала подключён к обоим входам ДК последовательно. Следовательно, и источники шума транзисторов подключаются к источнику сигнала также последовательно. Таким образом, эквивалентная плотность напряжения входного шума равна: Eш=(еhi1+еhi2)^0.5=1.4emi (при еm1=em2). Как выход из положения применяют параллельное включение транзисторов, что позволяет в n раз уменьшить шумы, где n - количество параллельно включённых транзисторов. Уменьшению шумов также способствует встречная динамическая нагрузка ДК с помощью отражателя тока, что эквивалентно симметричной нагрузке. 14.Увеличние нагрузочной способности и повышение линейности ДК и его симметрии с помощью введения резисторов Rэ (от 100 Ом до 1...2 кОм): Верхнее значение Rэ определяется требуемым усилением напряжения Ku=Rк/Rэ, дрейфом нулевого потенциала и шумом сопротивления Rэ, т.к. оно включается последовательно с источником сигнала. Иногда с помощью конденсатора, включённого между эмиттерами, вводят коррекцию по опережению. 18.Схема дифкаскада, свободного от эффекта Миллера. Введение следящей обратной связи в коллектор входного транзистора позволяет нейтрализовать входную ёмкость ДК (СК) 19. Подстроечный резистор 19 устанавливается в такое положение, при котором на верхней рабочей частоте напряжение на коллекторе транзистора равно входному. 20.Симметричный съём сигнала с помощью токового зеркала. Позволяет уменьшить шумы и увеличить коэффициент усиления по сравнению с простым несимметричным ДК. Резистор RC - цепи по запаздыванию выбирают в пределах 68...680 Ом, конденсатор - в пределах 180...2200 пФ. 21.Компенсация ООС через ёмкости Ск транзисторов ДК с помощью дополнительных транзисторов. Позволяет расширить полосу пропускания. Дополнительные транзисторы могут быть заменены конденсаторами небольшой ёмкости.

22.Применение каскодного усилителя повышает быстродействие более чем в 10 раз: 23.Прецезионный ДК со следящей связью. Применение каскода со следящей связью позволяет не только подавлять эффект Миллера, но и нейтрализовать ёмкости Ск. 24.Применение полевых транзисторов в каскоде со следящей связью. У дифференциальных усилителей, работающих в режиме большого сигнала, время нарастания и спада переходных процессов различно из-за более медленного разряда ёмкости нагрузки в момент отключения. Этот недостаток исключается в двухтактной схеме. Автором цикла статей обозначен А.Петров. Продолжение следует. По материалам сети публикацию подготовил

               Евгений Бортник, Красноярск, Россия, март 2018