книги / Элементы расчета полупроводниковых усилителей
..pdfДля схемы о одноконтурной обратной связью условие устойчиво сти формулируется оледупцим образом. Схема, устойчивая в ра зомкнуто^. состоянии, будет уотойчива и в замкнутом состоянии, если на чаототе среза СОс , когда Т(шс)~ /, значение фазового одвига по абсолютной величине меньше, чем 180° (для 00С), или больше нуля (для ПОС).
Можно показать, что изменение наклона логарифмической частот
ной характеристики возвратного отношения Т(ш) |
на каждые |
i 20 дБ/дек соответствует изменению фазового сдвига на -90°, |
|
Следовательно, замкнутую систему можно считать устойчивой,если |
|
наклон логарифмической частотной характеристики |
ее возвратного |
отношения в точке пересечения с линией ОдБ |
будет меньше, чем |
± 40 дБ/дек. |
|
Таким образом, стабильность усилительной |
цепи обеспечивает |
ся при определенном соотношении амплитудной и фазовой асимпто тических диаграмм. При одном и том же фазовом сдвиге (рис.30,б) кривая I (рис.30,а) соответствует устойчивому состоянию, кри-
51
вая 2 - границе устойчивости, кривая 3 -неустойчивому состоя нию.
Для нормальной работы усилителя необходимо иметь некоторый
запас устойчивости. По |
амплитуде запас устойчивости ЛТ опре |
|
|
деляется как величина, на которую |
|
|
нужно увеличить усиление схемы, |
|
|
чтобы она достигла границы устой |
|
|
чивости. Запас устойчивости Atp |
|
|
по фазе - это разность между фа |
|
|
зовым сдвигом нЭ границе устойчи |
|
|
вости и |
фазовым сдвигом, соответ |
|
ствующим |
точке пересечения ампли |
|
тудной диаграммы с ооью. |
|
Рис.30 |
Задача проектирования усилите |
|
ля с глубокой обратной связью, имеющего при этом достаточный запас устойчивости, весьма оложна. Она может быть решена путем подбора таких реактивных элементов схемы, при которых можно получить необходимую форму амплитудно-частотных характеристик петлевого усиления. Синтез оптимальной характеристики можно выполнить, применяя шаблоны [8]. Вопрос обеспечения устойчиво сти весьма важен для тех линейных интегральных схем, которые являются многокаскадными и имеют большие коэффициенты усиления при разомкнутой петле обратной связи. Линейные интегральные схемы, в таких случаях являясь потенциально неустойчивыми,тре буют подключения к ним элементов коррекции ОйЬпей компенсации).
В качестве компенсирующих цепей могут быть использованы ре активные фильтры интегрирующего или дифференцирующего типа.
АФЧХ фильтра интегрирующего типа (рио.31) имеет вид
£ |
_ |
йг |
t+j(0Z$ * |
|
кф |
|
й4 |
3 |
|
|
|
|
|
|
При этом |
|
|
Zs = CW +ffl, Z^=Cf2, |
|
f |
_ |
/ |
— i _ = |
|
|
|
|
■& |
|
Пуоть имеем |
трехкаскадный усилитель |
Рио.31 |
||
с обратной связью, петлевое усиление которого описывается вы
ражением |
|
|
|
* |
W |
|
, |
ГДе f 2НТ, * & |
2HZг |
* |
/ = - L ---- |
1з 2НТ3 |
Из асимптотических диаграмм (рис.32), построенных для зна-
чений /00кГц, fgss 4мГц,
/3= 40мГи видно, что усили тель неустойчив, так как при
(р = 180° уоиление значительно больше нуля.
Устойчивость работы усили теля можно обеспечить, изменив цепь обратной связи таким об разом, чтобы выполнялись усло вия устойчивости.
Если в цепь такого усилите ля включен интегрирующий фильтр (рис.31), то получим
Г * ТКф* |
ф(1+ & ) ____________ |
||||||
|
|
|
|
||||
|
• . |
Ы |
) М |
Ы |
) Ы |
) |
|
Чтобы |
|
|
|
|
|
||
Т |
по модулю и фазе соответствовало работе усилителя |
||||||
о достаточным |
запасом устойчивости, |
нужно соответствующим обра |
|||||
зом выбрать параметры fa и |
корректирующего |
элемента. |
|||||
Примем запас по фазе Д<р |
= 45°, |
тогда м |
равен единице |
||||
на чаототе |
/х |
» где фазовый |
сдвиг равен 135°, |
т.е. |
|||
|
|
|
|
|
f/35* |
|
|
Теперь |
задача раочета фильтра сводится к тому, чтобы пра |
||||||
вильным выбором его параметров обеспечить выполнение последнего равенства.
.В реальных случаях сопротивление Ri , являясь активным выход
ным сопротивлением охемы, может быть величиной заданной. Для
упрощения расчетов можно |
принять также Д |
, fx = |
9 Учиты~ |
вея, 4T O ^*:< j£ , можно |
записать |
|
|
Так как |
, то |
и, следовательно, |
K fieJ135' h
/е' ш
№ /г
Отсюда ~^х= ~г . следовательно,
Кh
|
|
C(R/+R2)= |
KJb |
a |
|
|
= |
||
Учитывая / « |
/ |
, получаем CR. = — i— - |
/ |
|
J4 |
J1 |
г |
2 я £ |
|
Из последних выражений о учетом предыдущих равенств находим
формулы для определения С и R2
М |
/ , |
|
2 я /г VI |
2w f4 |
/ |
с= |
|
R2— |
R i |
|
2 Ч С |
ПАРАМЕТРЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ОСНОВНЫХ ТИПОВ УСИЛИТЕЛЕЙ
Каскады предварительного усиления типа RC на биполярных транзисторах
Типовая схема усилительного каскада типа RC о включением биполярного транзистора по схеме 03 приведена на рио.ЗЗ.а.Широкое распространение этой схемы включения объясняется тем, что транзистор обеопечивает наибольшее усиление по мощнооти. Кроме того, в схеме ОЭ значения входного и выходного сопротивлений транзистора по переменному току отличаются друг от друга в мень шей степени, чем в схеме ОБ, что облегчает межкаскадное согласо вание в многокаскадных усилителях [7,8,9].
Кратко отметим основное назначение элементов схемы. Резистор
RK - внутренняя нагрузка каскада по переменному току; R„ - внешняя нагрузка; в многокаскадных усилителях под RH подразу мевается полное входное сопротивление последующего каокада.
Резисторы R ( , R2 образуют делитель, задающий необходимое начальное смещение на базу транзистора. Резистор эмиттерной ста билизации R3 определяет величину эмиттерного тока й глубину 009 по току в олучае отсутствия блокировочного конденсатора С9 .
Разделительные конденсаторы Cl , CZ предназначены, во-первых, для исключения влияния одного каокада на режим работы по посто-
явному току другого каскада и, во-вторых, для передачу усилива-
■if
еыого сигнала к соответствущиы точкам схемы с минимальным ослаблением.
На рис.ЗЗДв приведены также достаточно распространенные ва рианты усилительного каскада, отличающиеся от типового некото рыми особенностями выполнения цепей смещения.
Как известно из курса полупроводниковых приборов, транзистор п$к включении по схеме ОЭ обладает значительно большей темпе-
56
ратурной нестабильностью, чем ори включении по схеме ОБ. Для обеспечения заданного положения рабочей точки на характеристи ках транзистора, необходимо принимать специальные меры по ста билизаций режима работы каскада по постоянному току. Наиболее распространены различные способы термостабилизации, основанные на применении отрицательной обратной связи.
В общем случае изменение коллекторного тока при воздействии дестабилизирующих факторов может быть определено из выражения
<27,= да |
с |
|
|
- % - (с 1 1 К0+ А Ь - |
- te a - c fit+ M . |
||
din l |
ко da |
dIK |
duiS |
IL SL fa + 4kш da u du,s
Переходя от бесконечно малых приращений к малым конечным, о некоторым приближением можно записать
S(AI„ * А Ц * А С ) ,
Jr
где S* зу |
~ коэффициент нестабильности; |
А1К- фактическое |
'кО |
J 7 |
|
изменение |
обратного тока коллектора; А / ' |
= --М - da |
|
дТ |
да |
|
м |
|
и A I4. = — *° d^mS - эквивалентные изменения обратного то-
"d u a
ка коллектора при условии постоянства параметров а и
Для получения основных расчетных соотношений рассмотрим обобщенную схему транзисторного каскада по постоянному току [10,12] (рис.33,г) и составим упрощенную эквивалентную схему
iK- P k + ( P + O U ;
где
1! ~
Д1к шJ te lS + W + Af i IKo+(fi4 ) * IK r
= Щ |
+ * М и +h „ )+(A *0M KO |
||
|
|
1^= Ig * |
1$ |
|
B3 + Eg-U3s |
TV t . |
|
k ~ |
|
Rs + R 3 |
> 5 X к > |
R> - |
коэффициент токораспределения. |
||
I~ Ra+Rs |
|
|
йЦ а |
Еэ8~иэ5 |
- л ■ ч |
||
Ь , |
- |
||
|
<•* |
|
|
После подстановки полученных формул в выражения для Д1К
находим
Ч — f nl |
t ~ Й Ч * 4 K h * u * ( р н ) * Ь • |
|
ч - ф [ - Я г * Ф |
1'*7» > * * Т ЛЯ = |
|
(I)
Учитывая, что У=~з— — — , преобразуем выражение (I) для
**э+кб
Определения коэффициента нестабильности:
S = |
f i |
_ A * M + * S ) _ P 0 + l t ) |
|
|
|
|
|
|
|
|
< + т £ щ & |
* * + * + & |
*+&(Р+0 |
|
. |
|
«(<+-%) |
<+ RgSL |
|
|
■------ ъ ~ = ------------- ----- |
(2) |
||
|
A - к * t s |
/ - 0Г+- Rs |
< - « ^ Г |
|
|
|
*5 |
|
|
Рассмотрим, как рассчитываются элементы цепей смещения типо вого каскада для получения необходимой стабильности рабочей точ ки [4,14]. Иоходя из назначения и области применения каскада
Л1к3оп задают в пределах (5-20)% от значения тока покоя или рассчитывают его по методике [4].
По известному значению Д1К и паспортным данным транзиотора вычисляют
Тптах~20 |
|
|
^ко~ ^ко/т=20*С П |
> ^птох * Tcpmax |
% J |
^mox ~ P m Сп |
М * = е(Г*п»х-Я >) |
, |
|
||
^ P/rmx *fimLn
где n принимает значения, равные двум, для германиевых и трем для кремниевых транзисторов; Т£р тм - максимальное значение тем
пературы окружающей среды; Rne - тепловое сопротивление транзис тора на участке переход-окружапцая среда; fimax и fimln - макси мальное и минимальное значения коэффициента передачи тока базы;
£ - температурный коэффициент напряжения, |
приблизительно равный |
||||||
для всех транзисторов — 2м&/ вС . |
|
|
|
|
|
|
|
Для определения неизвестных значений Rf |
и Rg поступают сле |
||||||
дующим образом. Задают значение Ra ~ oRK |
, выбирая |
а |
в диапа |
||||
зоне 0,1-0,3. Такой порядок величины а |
определяется экономич |
||||||
ностью и эффективностью использования источника питания |
£к . |
||||||
Затем зададим ряд значений S |
(например, |
20,15,10). Из |
форму |
||||
лы (2) найдем соответствующие значения Rg |
• После |
этого |
для |
||||
каждого |
значения S по формуле |
(I) вычислим фактическое |
значе |
||||
ние Д1К |
Остановимся на таком |
значении |
S |
, при котором |
|
||
|
59 |
|
|
|
|
|
|
&1К ф0Кт-< A IKfon . Если |
оказывается, что |
это неравенство вы |
|||||
полняется при значениях Rg |
Rgx , целесообразно увеличить Rt |
||||||
и снова определить Rg |
|
|
|
|
|
||
Параметры делителя в цепи базн определяются из оледупцих |
|||||||
соотношений: |
|
|
|
|
|
|
|
|
4 “ Е*К Н К ~ |
1> |
|
|
|||
|
Щ = * л + Us, - £, |
|
- *sls |
|
|||
Из последнего выражения можно определить |
/У , если учесть, |
||||||
ЧТ° |
|
R |
2 |
___ R j_ |
|
|
|
|
|
R1+R2 ~ |
R t |
|
|
||
Тогда |
RaI3 + ивэ= £к |
|
|
RSIS , |
|
||
Отсюда получим |
pi= |
|
с р. |
|
|
||
|
|
|
ек к8__________ |
|
|||
|
. |
|
R jb |
+ 4 b |
+ R s k |
|
|
Так как |
- s - = ~ + |
|
|
то |
о ? — RgRt |
|
|
|
RS R i R2 |
|
|
к * |
i f r r f i - |
|
|
Перейдем к определению усилительных свойотв RC -каскада f8,9,I2j. Заменив транзистор его эквивалентной схемой, подучим полную эквивалентную схему каскада (рис.34,а).