; (3.13)
, ; (3.14)
. (3.15)
Высокочастотная эмиттерная коррекция
В некоторых случаях использование индуктивной коррекции оказывается неудобным. Так, в частности, при микросхемном исполнении усилителя затруднительно реализовывать корректирующую катушку . В этом случае целесообразно воспользоваться схемой с частотно-зависимой ООС (Рисунок 3).
В этой схеме роль частотно-зависимой цепи выполняют элементы и . Величина емкости обычно выбирается таким образом, чтобы в диапазоне НЧ и СЧ она мало шунтировала резистор . При этом за счет на НЧ и СЧ образуется ООС по току. В области ВЧ из-за уменьшения сопротивления цепи , действие ООС ослабевает, что приводит к подъему усиления на ВЧ.
Модуль коэффициента передачи схемы Рисунок 3 в области ВЧ описывается выражением:
, (4.1)
где - постоянная времени в области ВЧ каскада без коррекции; - постоянная времени цепи эмиттерной коррекции:
; (4.2)
- глубина ООС:
.
Для получения максимально широкой и плоской АЧХ при постоянную времени цепи коррекции необходимо выбирать из условия:
. (4.3)
При этом верхняя граничная частота:
. (4.4)
Из выражений (4.2) и (4.4) следует, что расширение полосы пропускания осуществляется за счет уменьшения коэффициента усиления. Это означает, что площадь усиления каскада с эмиттерной коррекцией остается постоянной.
Расчет схемы производится следующим образом.
1. Задают значения коэффициента усиления и частота , которые должны обеспечивать рассчитываемый каскад, параметры нагрузки , и параметры транзистора , , .
2. Определяют эквивалентную емкость :
.
3. Рассчитывают необходимое значение глубины ООС:
. (4.5)
4. Находят необходимое значение коллекторного сопротивления:
(4.6)
5. Рассчитывают элементы цепи коррекции:
; (4.7)
. (4.8)
6. Сопротивление , шунтируемое емкостью большого номинала , выбирается таким образом, чтобы суммарное сопротивление было равно сопротивлению рассчитываемому исходя из требований термостабилизации рабочей точки.
Низкочастотная коррекция цепочкой
Осуществить коррекцию АЧХ в области НЧ можно путем соответствующего выбора элементов фильтра , (см. Рисунок 1). Емкость конденсатора выбирается таким образом, чтобы он шунтировал только в областях СЧ и ВЧ. В области НЧ шунтирующее действие конденсатора уменьшается, что приводит к возрастанию сопротивления коллекторной цепи и уменьшению нижней граничной частоты каскада.
С учетом влияния цепи , коэффициент передачи в области НЧ описывается выражением
, (5.1)
где - постоянная времени фильтра; - постоянная времени в области НЧ каскада без коррекции:
. (5.2)
Максимальное расширение полосы пропускания в области НЧ достигается при выборе из условия:
. (5.3)
В этом случае нижняя граничная частота уменьшается в раз:
. (5.4)
Расчет каскада с НЧ коррекцией осуществляют в такой последовательности.
1. Задаются требуемыми значениями коэффициента усиления и нижней граничной частоты , крутизной транзистора , емкостью разделительного конденсатора и сопротивлением нагрузки .
2. Определяют, по необходимости, значение коллекторного сопротивления
3. В соответствии (5.2) определяют постоянную времени каскада без коррекции.
4. Находят необходимые для осуществления коррекции значения и :
; (5.5)
. (5.6)
Усилитель с НЧ-коррекцией позволяет улучшить воспроизведение плоской вершины импульса. При оптимальном выборе параметров фильтра, скола вершины уменьшается в раз.
Выбор и стабилизация режимов работы усилительных каскадов на транзисторах
Режим работы усилительного каскада по постоянному току определяется исходным положение рабочей точки (РТ) активного элемента. Это положение задается в биполярном транзисторе (БТ) током коллектора и напряжением коллектор-эмиттер .
Выбор РТ активного прибора в усилителях больших сигналов (когда и ) производят по статистическим вольтамперным характеристикам (ВАХ) прибора, ориентируясь на получение необходимого усиления и допустимых нелинейных искажений усилительного сигнала. При выборе РТ активного прибора в усилителях малых сигналов ( и ) можно ориентироваться на следующие рекомендации [3].
Значения тока и напряжения выбирают, главным образом для получения определенных усилительных параметров, обеспечения экономичного потребления энергии источника питания и стабильности режима работы. Увеличение улучшает усилительные свойства транзистора, но при этом растут входная и проходная проводимость усилительного прибора, а также энергопотребление каскада. Большие значения желательны с точки зрения уменьшения влияния дестабилизирующих факторов. Следует выполнять условия , где - неуправляемый ток перехода коллектор-база. Если к усилителю не предъявляется специальных требований, то обычно выбирают мА.
Увеличение улучшает частотные свойства каскада, так как при этом уменьшаются емкость -переходов и, в первую очередь, проходные емкости . Но при большом , приближающимся к предельно допустимым, возрастает вероятность пробоя -переходов. Малые величины напряжений нежелательны из-за потери транзистором усилительных свойств и роста нелинейных искажений, входной, выходной и проходной проводимостей. Рекомендуется брать В.
Положение рабочей точки, следовательно, и параметры полупроводниковых приборов, в значительной степени зависят от температуры окружающей среды. Изменения исходного положения рабочей точки оценивают коэффициентом нестабильности тока коллектора в заданном диапазоне температур . Считается приемлемым, если .
В биполярных транзисторах тока коллектора связаны с изменениями неуправляемого тока перехода коллектор-база, со сдвигом входных характеристик транзистора и с зависимостью от температуры коэффициента передачи тока в схеме с общей базой (или в схеме с общим эмиттером ).
Величины и определяются следующими соотношениями [4]:
; (6.1)
, (6.2)
где - справочное значение неуправляемого тока перехода коллектор-база при определенной температуре (обычно, если не указывается другая, ); - коэффициент, зависящий от материала транзистора (для германия , для кремния ); , , где - верхняя, - нижняя границы заданного температурного диапазона; - коэффициент температурного сдвига входных характеристик. Значения определяются с помощью приводимых в справочниках зависимостей коэффициента от температуры.
Температурная стабилизация РТ активного прибора в усилительном каскаде обеспечивается глубокой обратной связью по постоянному току или применением специальных термокомпенсирующих элементов. Наибольшее распространение получили методы температурной стабилизации, основанные на использовании отрицательных обратных связей, так как при этом одновременно достигается уменьшение чувствительности каскадов к технологическому разбросу параметров транзисторов.
Для установки и стабилизации режима работы по постоянному току усилительных каскадов на дискретных биполярных транзисторах наибольшее распространение получила схема, приведенная на Рисунок 4. Резистор обеспечивает отрицательную обратную связь по току и служит для стабилизации выходного тока. Делитель напряжения источника питания , образованный резисторами и создает необходимое напряжение на базе транзистора. Разность потенциалов базы и эмиттера (последний определяется падением напряжения на ) определяет смещение на входном переходе транзистора, задавая его РТ. Работа схемы стабилизации заключается в следующем. При возрастании температуры ток эмиттера возрастает, соответственно увеличивается падение напряжения на резисторе , т.е. увеличивается потенциал эмиттера. Поскольку потенциал базы выше потенциала эмиттера, смещение перехода база-эмиттер уменьшается, транзистор подзакрывается и в результате увеличение и тока коллектора оказывается существенно меньше, чем оно было бы в отсутствие обратной связи. Аналогично схема работает и при уменьшении температуры, только все приращения имеют обратный знак. Емкость , включенная параллельно , обеспечивает замыкание переменной составляющей тока эмиттера на землю, минуя , и тем самым предотвращает возникновение отрицательной обратной связи по переменному току, уменьшающей усиление каскада.
Расчет каскада обычно начинается с выбора транзистора и его рабочей точки, исходя из требований к электрическим показателям каскада. Зная возможный перепад температуры и параметры транзистора, определяют значение дестабилизирующих факторов , , . Затем, зная требования к стабильности или, задавшись ими, рассчитывают параметры вспомогательных цепей каскада. Предполагается, что перед этим был проведен расчет каскада на переменном токе.
Для расчета значения сопротивления , обеспечивающего требуемую глубину обратной связи в схеме Рисунок 4, необходимо знать температурную зависимость . Однако она редко приводится в справочниках. Выход из этой ситуации заключается в том, что, как показывает практический опыт, инвариантность усилительного каскада на БТ к изменениям достигается при выборе напряжения на эмиттере из условия . Это позволяет рассчитать минимальное значение напряжения питания и определить величину .
