- •1. АЭУ. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
- •1.1. Назначение, область применения, классификация аналоговых
- •1.2. Усилитель как основной элемент АЭУ
- •1.3. Классификация усилителей
- •1.4. Параметры усилителей
- •1.4.1. Выходные и входные данные
- •1.4.2. Коэффициенты усиления
- •1.4.3. Частотная и фазовая характеристики
- •1.4.4. Переходная характеристика
- •1.4.5. Линейные искажения
- •1.4.7. Помехи и собственные шумы в АЭУ
- •1.4.8. Амплитудная характеристика
- •1.4.9. Нелинейные искажения
- •1.4.10. Потребляемая мощность и коэффициент полезного действия
- •2. УСИЛИТЕЛЬ (АЭУ) КАК ЧЕТЫРЕХПОЛЮСНИК
- •2.1. Основные определения
- •2.1.1. Четырехполюсники, их параметры и эквивалентные схемы
- •2.1.2. Определение показателей усилителя через параметры
- •2.2. Использование обратной связи в АЭУ
- •2.2.1. Виды обратной связи
- •2.2.2. Использование параметров четырехполюсника для описания
- •2.2.3. Коэффициент петлевого усиления и глубина обратной связи
- •2.2.4. Влияние обратной связи на коэффициент сквозного усиления
- •2.2.6. Влияние обратной связи на стабильность усилителя
- •3. РАБОТА АКТИВНОГО ЭЛЕМЕНТА В УСИЛИТЕЛЬНОЙ СХЕМЕ
- •3.1. Схемы включения биполярных транзисторов
- •3.1.2. Включение биполярного транзистора по схеме с общей базой
- •3.2. Схемы включения полевых транзисторов
- •3.2.1. Общие сведения
- •3.2.2. Включение полевого транзистора по схеме с общим истоком
- •3.2.3. Включение полевого транзистора по схеме с общим затвором
- •3.2.4. Включение полевого транзистора по схеме с общим стоком
- •3.3. Режимы работы активных элементов
- •3.3.1. Общие положения
- •3.3.2. Режим А
- •3.3.3. Режим В
- •3.3.4. Режим С
- •3.3.5.Режим D
- •3.4. Цепи питания активных элементов
- •3.4.1. Общие положения
- •3.4.2. Подача смещения фиксированным током базы
- •3.4.3. Подача смещения фиксированным напряжением базы
- •3.4.4. Эмиттерная стабилизация
- •3.4.5. Коллекторная стабилизация
- •3.4.7. Цепи питания полевых транзисторов
- •4. КАСКАДЫ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО УСИЛЕНИЯ
- •4.1. Общие сведения
- •4.2. Транзисторный резисторный каскад
- •4.2.1. Частотная характеристика. Область средних частот
- •4.2.2. Частотная характеристика. Область нижних частот
- •4.2.3. Частотная характеристика. Область верхних частот
- •4.3. Резисторный каскад на полевом транзисторе
- •4.3.1. Принципиальная и общая эквивалентные схемы
- •4.3.2. Частотная характеристика. Область средних частот
- •4.3.3. Частотная характеристика. Область нижних частот
- •4.3.4. Частотная характеристика. Область верхних частот
- •4.4. Широкополосные каскады и коррекция частотных характеристик
- •4.4.1. Общие положения
- •4.4.2. Влияние цепи RЭ,CЭ (RИ,CИ) на работу резисторного каскада
- •4.4.3. Высокочастотная индуктивная коррекция
- •4.4.4. Низкочастотная коррекция
- •4.5. Трансформаторный каскад
- •4.5.1. Эквивалентная схема трансформатора
- •4.5.3. Поведение трансформаторного каскада в области низких частот
- •4.5.4. Поведение трансформаторного каскада в области высоких частот
- •4.6. Специальные схемы каскадов предварительного усиления
- •4.6.1. Каскодный усилитель
- •4.6.2. Усилитель с распределенным усилением
- •4.6.3. Повторители напряжения с улучшенными характеристиками
- •4.6.4. Дифференциальный каскад
- •4.6.5. Усилитель с динамической нагрузкой
- •5. КАСКАДЫ МОЩНОГО УСИЛЕНИЯ
- •5.1. Общие сведения
- •5.2. Однотактные усилители мощности
- •5.3. Двухтактные усилители мощности. Общие сведения
- •5.4. Двухтактная схема усилителя мощности
- •5.5. Бестрансформаторные усилители мощности
- •6. УСИЛИТЕЛИ ПОСТОЯННОГО ТОКА
- •6.1. Основные свойства усилителей постоянного тока
- •6.2. Усилители постоянного тока прямого действия
- •6.3. Усилители постоянного тока с преобразованием
- •6.4. Реактивные усилители
- •7. УСИЛИТЕЛИ С ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ
- •7.1. Устойчивость усилителей с обратной связью
- •7.2. Критерий устойчивости Найквиста
- •7.3. Многокаскадные усилители с обратной связью
- •7.5. Паразитные обратные связи и борьба с ними
- •8.1. Общие положения
- •8.2. Основные параметры ОУ
- •8.3. Основные схемы включения ОУ с ООС
- •8.3.1. Инвертирующий усилитель
- •8.3.2. Неинвертирующее включение ОУ
- •8.3.3. Инвертирующий сумматор сигналов
- •8.3.4. Интегрирующий усилитель
- •8.3.5. Активные фильтры на базе ОУ
- •8.3.6. Логарифмирующий и антилогарифмирующий усилители
- •9. РЕГУЛИРОВКИ В УСИЛИТЕЛЯХ
- •9.1. Общие положения
- •9.2. Регулировка усиления
- •9.3. Регулировка тембра
- •9.3.1. Общие положения
- •9.3.2. Пассивные регуляторы тембра
- •9.3.3. Активные регуляторы тембра
3.2.Схемы включения полевых транзисторов
3.2.1.Общие сведения
Для всего большого количества разнообразных полевых транзисторов (ПТ) характерно наличие трёх основных электродов, сопоставимых с соответствующими электродами биполярного транзистора (исток-эмиттер, затвор-база, сток-коллектор). Основные типы ПТ, отличающиеся технологией изготовления, полярностью напряжения питания и параметрами, а также их входные и выходные характеристики представлены на рис. 3.16, а – ж. Основное деление полевых транзисторов осуществляется по типу проводимости канала. Различают ПТ с каналом n-типа и р-типа. Тип канала определяет полярность напряжения питания цепи стока.
На рис. 3.16, а – б представлены транзисторы с затвором в виде управляемого p-n-перехода с каналами n- и p-типа соответственно.
82
Канал n-типа |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Канал p-типа |
||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
З |
|
|
|
|
С |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
З |
|
|
|
|
|
|
С |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
И |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
И |
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
а |
|
|
|
|
|
|
|
IC |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
б |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ICH |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
IC |
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
-UЗ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
+UЗ |
-UЗ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
+UЗ |
|||||||||||
UOTC |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
в |
IC |
IC |
г |
-UЗ |
+UЗ |
-UЗ |
+UЗ |
д |
IC |
IC |
е |
-UЗ |
+UЗ |
-UЗ |
+UЗ |
IC
ж
UC
Рис. 3.16
83
Рабочая область напряжений между затвором и истоком для транзистора (см. рис. 3.16, а) находится в промежутке от UЗ = 0 до –UOTC. Для транзисторов с p-каналом (рис. 3.16, б) эта область лежит справа от UЗ = 0. Рис. 3.16, в – е относятся к ПТ с изолированным затвором и с встроенным каналом (рис. 3.16, в – канал n-типа; рис. 3.16, г – канал p-типа). Постоянное напряжение на затворах этих транзисторов может быть как положительным так и отрицательным. На рис. 3.16, д – е представлены ПТ с изолированным затвором и с индуцированным каналом (рис. 3.16, д – канал n-типа; рис. 3.16, е - канал p-типа). Их рабочие области находятся соответственно справа и слева от UЗ = 0. Выходные характеристики для всех типов транзисторов имеют одинаковую форму (рис. 3.16, ж), но при этом следует учитывать, что на сток транзисторов с n- каналом подается положительное напряжение, а с p-каналом – отрицательное. Существующие различия между типами ПТ, технологиями их изготовления, полярностями напряжений на электродах и т.д. не оказывают заметного влияния на вид эквивалентной схемы, применяемой для описания работы усилительных устройств, собранных на этих транзисторах. Это обстоятельство позволяет использовать для дальнейшего анализа только один тип транзистора (с управляемым p-n-переходом и каналом n-типа). При этом проведенный анализ в равной мере будет относиться и ко всем остальным типам ПТ.
3.2.2. Включение полевого транзистора по схеме с общим истоком
Принципиальная схема каскада с общим истоком представлена на рис. 3.17.
I0C |
iC |
CЗС
|
R1 |
ССИ |
|
|
|
|
u2=uСИ |
R2 |
|
|
СЗИ |
|
||
|
|
|
|
|
E1 |
u1=uЗИ |
|
I0C |
|
|
|
|
|
|
|
E0З |
E0C |
iC |
|
|
Рис. 3.17 |
|
|
84
Переход затвор-исток всегда включается в обратном направлении, следовательно, постоянный ток в цепи затвора не протекает. Постоянный ток стока I0C течёт от +E0C через R1, от стока к истоку и возвращается к –Е0C. Приложенное к затвору в настоящий момент положительное мгновенное значение напряжения источника сигнала приводит к увеличению тока стока. Это означает, что переменная составляющая тока стока iC в рассматриваемый момент времени протекает в ту же сторону, что и постоянная составляющая. Переменный ток стока, протекая по сопротивлению R2, создаёт на нём падение напряжения u2 с плюсом внизу и минусом вверху. Таким образом, схема с общим истоком меняет фазу усиливаемого сигнала на 1800.
Эквивалентная схема каскада представлена на рис. 3.18, а. На этой схеме крутизна транзистора S определяется как отношение приращения тока стока ∆iC к приращению напряжения на затворе ∆uЗ при постоянном напряжении на сто-
ке uC = const:
|
|
S = ∆iC . |
|
|
|
|
∆uЗ |
|
|
|
З |
|
|
С |
|
R1 |
CЗС |
|
|
Е1 |
u1 = uЗ |
SuЗ |
Ri |
u2 = uC R2 |
|
RЗ |
CЗИ |
|
ССИ |
а |
|
|
|
|
|
И |
|
|
И |
|
З |
|
|
С |
|
R1 |
|
|
|
E1 |
u1 = uЗ |
С0 |
|
u2 = uC R2 |
б |
RЗ |
SuЗ |
Ri |
CCИ |
|
|
|
|
|
|
И |
|
|
И |
|
|
Рис. 3.18 |
|
|
85
Крутизну полевого транзистора можно определить из аналитического выражения для его вольтамперной характеристики. Такая характеристика приведена на рис. 3.16, а, а ее аналитическое выражение имеет вид
IC = ICH (1 − |
uЗ |
)2 . |
(3.33) |
|
|||
|
UOTC |
|
Для этого надо взять производную от выражения (3.33) по напряжению на затворе при uЗ, соответствующему положению рабочей точки:
S = dIC = 2 |
ICH |
( |
uЗ |
−1) . |
(3.34) |
UOCT |
|
||||
duЗ |
|
UOTC |
|
Внутреннее сопротивление полевого транзистора Ri можно определить по выходным характеристикам, найдя отношение приращения напряжения на стоке к приращению тока стока при постоянном напряжении на затворе:
Ri = |
∆uC . |
(3.35) |
|
∆iC |
|
Величины междуэлектродных емкостей СЗИ, СЗС и ССИ обычно приводятся в справочнике. Сопротивление закрытого перехода затвор-исток RЗ стремится к бесконечности и обычно его влиянием на работу каскада пренебрегают, так как ток через него стремится к нулю.
Сквозной коэффициент усиления на низких частотах равен
КЕ = |
u2 |
= |
uЗ |
|
u2 |
= |
|
|
RЗ |
|
|
SRiR2 |
. |
(3.36) |
||
E |
E |
|
R |
|
+ R |
|
|
|||||||||
|
|
|
u |
З |
|
1 |
З |
|
Ri + R |
2 |
|
|
||||
1 |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Обычно сопротивление RЗ имеет очень большую величину, особенно у транзисторов с изолированным затвором, поэтому первая дробь в выражении (3.36) практически всегда равна единице. Вторая дробь этого выражения также существенно упрощается, если учесть, что Ri>R2. С учётом этих замечаний выражение для КЕ принимает совсем простой вид:
КЕ ≈SR2 . |
(3.36а) |
86
Увеличение сопротивления нагрузки до определённой величины ведёт к пропорциональному увеличению коэффициента усиления. Однако далее этот рост замедляется, а затем коэффициент усиления даже начнёт уменьшаться, так как с ростом R2 ухудшаются условия питания канала транзистора (уменьшается напряжение на стоке), что приводит к снижению крутизны и появлению заметных нелинейных искажений.
Для анализа частотных свойств необходимо определить входную динамическую ёмкость каскада С0 (см. рис. 3.18, б). Методика её определения для полевого транзистора является такой же, как и при выводе выражения (3.20) для динамической ёмкости биполярного транзистора. Однако в данном случае необходимо учитывать также ёмкость монтажа, так как её величина оказывается соизмерима с динамической ёмкостью полевого транзистора. Таким образом, входная динамическая ёмкость каскада на ПТ, включенном по схеме с общим истоком, описывается следующим выражением:
С0 = СЗИ + СЗС(1+ SR2 ) + CM . |
(3.37) |
Из рис. 3.18, б видно, что частотный диапазон каскада в области верхних частот зависит от входной и выходной цепи. Однако, как правило, выходную ёмкость CCИ включают во входную динамическую ёмкость следующего транзистора и учитывают её влияние при расчёте частотных свойств следующего каскада.
На высоких частотах сопротивление ёмкости C0 уменьшается, а это ведёт к уменьшению входного напряжения и к снижению коэффициента усиления. Верхняя граничная частота зависит от C0 и сопротивлений R1, RЗИ и определяется выражением
f |
B |
= |
R1 +RЗ |
|
≈ |
1 |
|
|
. |
(3.38) |
|
|
|
2πС |
R |
|
|||||||
|
|
2πC |
R R |
З |
1 |
|
|
||||
|
|
|
0 |
1 |
0 |
|
|
|
Упрощенный вариант формулы для fВ основан на том, что, как правило, R1 << RЗИ.
Входное сопротивление полевого транзистора, включённого по схеме с ОИ, на низких частотах очень велико и для рассматриваемого типа транзисторов задаётся величиной сопротивления закрытого p-n-перехода RЗ. С ростом
87