Предисловие (стр. 11 )

Названные особенности каскадов ОЭ и ОК позволяют взаимно дополнять друг друга. Например, для усиления напряжения от высокоомного датчика сначала нужно поставить УК ОК для согласования сопротивлений, а затем последовательно включить УК ОЭ для достижения требуемого KU.

2.1.3. Усилительный каскад на составном транзисторе

Схема УК на так называемом составном транзисторе показана на рис. 2.10. Эту схему также называют схемой Дарлингтона. Из нее видно, что составной транзистор (выделенная часть на рисунке) представляет собой последовательно включенные два транзистора, причем базовый ток второго является эмиттерным первого. Тогда общий коэффициент передачи тока базы составного транзистора будет равен произведению коэффициентов передачи тока каждого из образующих его транзисторов: b = b1b2. Промышленностью выпускаются составные транзисторы в едином корпусе. Они имеют те же названия выводов, что и обычный биполярный транзистор.

Схема Дарлингтона обладает высокой чувствительностью при относительной простоте (заменяет два УК ОЭ), однако имеет плохую термостабилизацию и низкую граничную частоту. Поэтому применяется ограниченно.

2.1.4. Двухтактный усилительный каскад

Простейшая схема двухтактного УК показана на рис. 2.11. Она состоит из двух транзисторов, обладающих одинаковыми параметрами, но разного типа проводимости. Такие пары транзисторов называют комплементарными, а каскад усиления – комплементарным усилителем.

Отметим, что для питания рассматриваемой схемы используется двухполярный источник.

Каскад называют двухтактным, потому что в течение одного периода колебаний усиливаемого сигнала поочередно, в два такта, работают транзисторы каскада VT1 и VT2. Если пренебречь началь-

ной нелинейностью входной характеристики транзисторов, можно считать, что при Uвх > 0 транзистор VT2 заперт, а транзистор VT1 работает как эмиттерный повторитель. При Uвх < 0 транзисторы меняются «ролями». Таким образом, каскад представляет собой двухполярный эмиттерный повторитель.

Одним из важных достоинств двухтактного каскада является большая реализуемая мощность. Действительно, по сравнению с УК ОК диапазон изменения входного напряжения увеличивается вдвое, а выделяемая мощность делится пополам между транзисторами. Другой важнейшей особенностью является способность усиливать одинаково хорошо как переменный, так и постоянный (медленно меняющийся) ток.

Недостатком можно считать необходимость в двухполярном источнике. В ряде случаев (и с ограничениями) можно применять специальные схемные решения, позволяющие реализовать двухтактный каскад при однополярном питании.

2.1.5. Усилительные каскады на полевых транзисторах

В настоящее время широкое распространение получили усилительные каскады на полевых транзисторах, так как они обладают существенно большим входным сопротивлением по сравнению с усилительными каскадами на биполярных транзисторах. Наиболее часто используют усилительный каскад с общим истоком, схема которого приведена на рис. 2.12,а.

В этом каскаде резистор Rc, с помощью которого осуществляется усиление, включен в цепь стока. В цепь истока полевого транзистора VT включен резистор Rи, создающий необходимое падение напряжения в режиме покоя Uз0, являющееся напряжением смещения между затвором и истоком.

Резистор Rз в цепи затвора обеспечивает в режиме покоя равенство потенциалов затвора и общей точки усилительного каскада. Следовательно, потенциал затвора ниже потенциала истока на падение напряжения на резисторе Rи от постоянной составляющей тока Iи0. Таким образом, потенциал затвора является отрицательным относительно потенциала истока.

Входное напряжение подается на резистор Rз через разделительный конденсатор С. При подаче переменного входного напряжения в канале полевого транзистора появляются переменные составляющие тока истока iи и тока стока iс, причем iи ≈ iс. За счет падения напряжения на резисторе Rи от переменной составляющей тока iи переменная составляющая напряжения между затвором и истоком, усиливаемая полевым транзистором, может быть значительно меньше входного напряжения: uз = uвх – Rи iи,

Это явление, называемое отрицательной обратной связью, приводит к уменьшению коэффициента усиления усилительного каскада. Для его устранения параллельно резистору Rи включают конденсатор Си, сопротивление которого на самой низкой частоте усиливаемого напряжения должно быть во много раз (обычно в 10 раз) меньше сопротивления резистора Rи. При этом условии падение напряжения от тока истока на цепочке RИ, СИ, называемой звеном автоматического смещения, очень небольшое, так что по переменной составляющей тока исток можно считать соединенным с общей точкой усилительного каскада. Поэтому этот каскад называют усилительным каскадом с общим истоком.

Выходное напряжение снимается через конденсатор связи Сс между стоком и общей точкой каскада, т. е. оно равно переменной составляющей напряжения между стоком и истоком. Рабочая точка в режиме покоя обычно соответствует середине линейного участка переходной характеристики, так как при этом нелинейные искажения усиливаемого напряжения минимальны. Выбрав положение рабочей точки и определив для нее значения напряжения смещения Uз0 и тока стока Iс0, находят сопротивление резистора звена автоматического смещения

Емкость конденсатора звена автоматического смещения рассчитывают обычно по формуле

где fн – наинизшая частота усиливаемого напряжения.

При подаче на вход усилительного каскада переменного напряжения появляется переменная составляющая тока стока iс. Изменение этого тока приводит к изменению напряжения Uс между стоком и истоком; его переменная составляющая uс, численно равная и противоположная по фазе падению напряжения на резисторе RС, является выходным напряжением усилительного каскада

Uвых = –Rсiс.

Видно, что выходное напряжение противофазно входному, причем оно значительно больше входного напряжения, так как напряжение в цепи стока значительно больше, чем в цепи затвора.

Коэффициент усиления по напряжению усилительного каскада с общим истоком

где S – крутизна, a Ri – внутреннее (выходное) сопротивление полевого транзистора.

Входное сопротивление полевых транзисторов, т. е. сопротивление между затвором и истоком, имеет значение порядка 108 Ом, поэтому входное сопротивление рассматриваемого усилительного каскада oпределяется сопротивлением резистора R3, который подключен параллельно входным зажимам полевого транзистора:

Rвх ≈ R3 = 105… 106 Ом.

Выходное сопротивление современных полевых транзисторов, т. e сопротивление между стоком и истоком, имеет значение порядка 104…105 Ом, поэтому выходное сопротивление усилительного каскада на полевом транзисторе определяется сопротивлением резистора RС : Rвых ≈ RС = 103 + 104 Ом, т. е. Rвых<< RBX, что является важным преимуществом усилительных каскадов на полевых транзисторах.

Помимо усилительных каскадов с общим истоком, в устройствах промышленной электроники применяют усилительные каскады с общим стоком (рис. 2.12,б). В этом каскаде нагрузочный резистор Rи включен в цепь истока, а сток по переменным составляющим тока и напряжения соединен с общей точкой усилителя. Выходное напряжение, равное переменной составляющей падения напряжения на резисторе Rи, снимается через конденсатор связи Сс. Усилительный каскад на полевом транзисторе с общим стоком аналогичен по своим свойствам эмиттерному повторителю. Он обладает большими входным сопротивлением и коэффициентом усиления по току, малым выходным сопротивлением. Его часто называют истоковым повторителем.

2.1.6. Усилитель постоянного тока

Для получения больших коэффициентов усиления применяют многокаскадные усилители. Связь каскадов между собой осуществляют с помощью конденсаторов. Поэтому зависимость коэффициента усиления от частоты имеет вид, показанный на рис. 2.13. При низких частотах коэффициент усиления стремится к нулю, так как сопротивление конденсатора очень возрастает.

Во многих случаях, особенно при контроле и измерении неэлектрических величин, требуется усиления постоянных токов или сигналов низких частот. Для этого применяют усилители постоянного тока (УПТ), у которых связь между каскадами выполняется с помощью резисторов. Поэтому коэффициент усиления УПТ остается практически неизменным в большой полосе частот, начиная от нуля до граничной частоты (рис. 2.13).

Большим недостатком УПТ является так называемый дрейф нуля, заключающийся в том, что с течением времени на выходе усилителя появляется напряжение при отсутствии напряжения на входе.

Для борьбы с дрейфом нуля применяют:

- стабилизацию напряжения питания,

- стабилизацию температурного режима,

- дифференциальные (балансные) схемы.

Рассмотрим мостовую схему (рис. 2.14,а). В ней потенциалы точек 1 и 2 при холостом ходе (в отсутствие нагрузки RH) будут равны

.

Предположим, что j1 = j2, тогда