Каскадный усилитель: Как работает усилительный каскад на транзисторе, начинающим

Как работает усилительный каскад на транзисторе, начинающим

Радиоэлектроника, схемы, статьи и программы для радиолюбителей.

• Схемы
  • Аудио аппаратура
    • Схемы транзисторных УНЧ
    • Схемы интегральных УНЧ
    • Схемы ламповых УНЧ
    • Предусилители
    • Регуляторы тембра и эквалайзеры
    • Коммутация и индикация
    • Эффекты и приставки
    • Акустические системы
  • Спецтехника
    • Радиомикрофоны и жучки
    • Обработка голоса
    • Защита информации
  • Связь и телефония
    • Радиоприёмники
    • Радиопередатчики
    • Радиостанции и трансиверы
    • Аппаратура радиоуправления
    • Антенны
    • Телефония
  • Источники питания
    • Блоки питания и ЗУ
    • Стабилизаторы и преобразователи
    • Защита и бесперебойное питание
  • Автоматика и микроконтроллеры
    • На микроконтроллерах
    • Управление и контроль
    • Схемы роботов
  • Для начинающих
    • Эксперименты
    • Простые схемки
  • Фабричная техника
    • Усилители мощности
    • Предварительные усилители
    • Музыкальные центры
    • Акустические системы
    • Пусковые и зарядные устройства
    • Измерительные приборы
    • Компьютеры и периферия
    • Аппаратура для связи
  • Измерение и индикация
  • Бытовая электроника
  • Автомобилисту
  • Охранные устройства
  • Компьютерная техника
  • Медицинская техника
  • Металлоискатели
  • Оборудование для сварки
  • Узлы радиаппаратуры
  • Разные схемы
• Статьи
  • Справочная информация
  • Аудиотехника
  • Для начинающих
  • Микроконтроллеры
  • Автоматика и управление
  • Радиолюбительские рассчеты
  • Ремонт и модернизация
  • Связь
  • Электроника в быту
  • Альтернативная энергия

Усилительный каскад на транзисторах

При расчете усилительных каскадов на полупроводниковых элементах нужно знать много теории. Но если требуется сделать простейший УНЧ, то достаточно подобрать транзисторы по току и коэффициенту усиления. Это основное, нужно еще определиться с тем, в каком режиме должен работать усилитель. Это зависит от того, где планируется его использовать. Ведь усиливать можно не только звук, но и ток – импульс для управления каким-либо устройством.

Виды усилителей

Когда реализуются конструкции усилительных каскадов на транзисторах, нужно решить несколько важных вопросов. Сразу определитесь с тем, в каком из режимов будет работать устройство:

1. А – линейный усилитель, на выходе присутствует ток в любой момент времени работы.
2. В – ток проходит только в течение первого полупериода.
3. С – при высоком КПД нелинейные искажения становятся сильнее.
4. D и F – режимы работы усилителей в режиме «ключа» (переключателя).

Распространенные схемы транзисторных усилительных каскадов:

1. С фиксированным током в цепи базы.
2. С фиксацией напряжения в базе.
3. Стабилизация коллекторной цепи.
4. Стабилизация эмиттерной цепи.
5. УНЧ дифференциального типа.
6. Двухтактные усилители НЧ.

Чтобы понять принцип работы всех этих схем, нужно хотя бы вкратце рассмотреть их особенности.

Фиксация тока в цепи базы

Это самая простая схема усилительного каскада, которая может использоваться в практике. За счет этого ее широко используют начинающие радиолюбители – повторить конструкцию не составит труда. Цепи базы и коллектора транзистора запитаны от одного источника, что является преимуществом конструкции.

Но у нее имеются и недостатки – это сильная зависимость нелинейных и линейных параметров УНЧ от:

1. Питающего напряжения.
2. Степени разброса параметров полупроводникового элемента.
3. Температуры – при расчете усилительного каскада обязательно нужно учитывать этот параметр.

Недостатков довольно много, они не позволяют применять такие устройства в современной технике.

Стабилизация напряжения базы

В режиме А могут работать усилительные каскады на биполярных транзисторах. А вот если осуществить фиксацию напряжения на базе, то можно использовать даже полевики. Только это будет фиксация напряжения не базы, а затвора (названия выводов у таких транзисторов другие). В схему вместо биполярного элемента устанавливается полевой, ничего переделывать не придется. Нужно только подобрать сопротивления резисторов.

Стабильностью такие каскады не отличаются, основные его параметры при работе нарушаются, причем очень сильно. Ввиду крайне плохих параметров такая схема не используется, вместо нее лучше на практике применить конструкции со стабилизацией цепей коллектора или эмиттера.

Стабилизация коллекторной цепи

При использовании схем усилительных каскадов на биполярных транзисторах со стабилизацией коллекторной цепи получается сохранить на его выходе около половины от значения напряжения питания. Причем происходит это в относительно большом диапазоне питающих напряжений. Делается это за счет того, что имеется отрицательная обратная связь.

Такие каскады получили широкое распространение в усилителях высоких частот – УРЧ, УПЧ, буферных устройствах, синтезаторах. Такие схемы применяются в гетеродинных радиоприемниках, передатчиках (включая мобильные телефоны). Сфера применения таких схем очень большая. Конечно, в мобильных схема реализуется не на транзисторе, а на составном элементе – один маленький кристалл кремния заменяет огромную схему.

Эмиттерная стабилизация

Эти схемы можно часто встретить, так как у них имеются явные преимущества – высокая стабильность характеристик (если сравнивать со всеми теми, о которых было рассказано выше). Причина – очень большая глубина обратной связи по току (постоянному).

Усилительные каскады на биполярных транзисторах, выполненные со стабилизацией эмиттерной цепи, используются в радиоприемниках, передатчиках, микросхемах для повышения параметров устройств.

Дифференциальные усилительные устройства

Дифференциальный усилительный каскад используется довольно часто, у таких устройств очень высокая степень устойчивости к помехам. Для питания таких устройств можно применять низковольтные источники – это позволяет уменьшить габариты. Дифусилитель получается, если соединить эмиттеры двух полупроводниковых элементов на одном сопротивлении. «Классическая» схема дифференциального усилителя представлена на рисунке ниже.

Такие каскады очень часто применяются в интегральных микросхемах, операционных усилителях, УПЧ, приемниках ЧМ-сигналов, радиотрактах мобильных телефонов, смесителях частот.

Двухтактные усилители

Двухтактные усилители могут работать в практически любом режиме, но чаще всего используется В. Причина – эти каскады устанавливаются исключительно на выходах устройств, а там нужно повышать экономичность, чтобы обеспечить высокий уровень КПД. Реализовать схему двухтактного усилителя можно как на полупроводниковых транзисторах с одинаковым типом проводимости, так и с разным. «Классическая» схема двухтактного усилителя на транзисторах представлена на рисунке ниже.

Независимо от того, в каком режиме работы усилительный каскад находится, получается существенно уменьшить количество четных гармоник во входном сигнале. Именно это является главной причиной широкого распространения такой схемы. Двухтактные усилители часто используются в КМОП-элементах и прочих цифровых элементах.

Схема с общей базой

Такая схема включения транзистора встречается относительно часто, она является четырехполюсником – два входа и столько же выходов. Причем один вход является одновременно и выходом, соединяется с выводом «база» транзистора. К ней подключается один вывод от источника сигнала и нагрузка (например, динамик).

Чтобы запитать каскад с общей базой, можно применить:

1. Схему фиксации тока базы.
2. Стабилизацию напряжения базы.
3. Коллекторную стабилизацию.
4. Эмиттерную стабилизацию.

Особенность схем с общей базой – очень низкое значение входного сопротивления. Оно равно сопротивлению эмиттерного перехода полупроводникового элемента.

Схема с общим коллектором

Конструкции такого типа тоже используются довольно часто, это четырехполюсник, у которого два входа и столько же выводов. Очень много сходств со схемой усилительного каскада с общей базой. Только в этом случае коллектор является общей точкой подключения источника сигнала и нагрузки. Среди преимуществ такой схемы можно выделить ее высокое сопротивление по входу. Благодаря этому она часто применяется в усилителях низких частот.

Для того чтобы запитать транзистор, необходимо использовать стабилизацию по току. Для этого идеально подходит эмиттерная и коллекторная стабилизация. Нужно учесть, что такая схема не может инвертировать входящий сигнал, не усиливает напряжение, именно по этой причине ее называют «эмиттерным повторителем». Такие схемы имеют очень большую стабильность параметров, глубина ОС по постоянному току (обратной связи) почти 100%.

Общий эмиттер

Усилительные каскады с общим эмиттером имеют очень большой коэффициент усиления. Именно с использованием таких схемных решений строятся высокочастотные усилители, используемые в современной технике – системах GSM, GPS, в беспроводных сетях Wi-Fi. У четырехполюсника (каскада) имеется два входа и столько же выходов. Причем эмиттер соединен одновременно с одним выводом нагрузки и источника сигнала. Для питания каскадов с общим эмиттером желательно использовать двухполярные источники. Но если это сделать невозможно, допускается использование однополярных источников, только добиться высокой мощности вряд ли получится.

Выходной каскад усилителя мощности — AudioKiller’s site

Статья опубликована в журнале Радио №12 за 2018 год.

В «классической» литературе по конструированию усилителей мощности звуковой частоты (УМЗЧ) схемотехнике выходного каскада уделяется большое внимание. Однако там рассматривается главным образом структура каскада и использование как комплементарных транзисторов, так и транзисторов одинаковой проводимости, а вот проблема влияния количества транзисторов на работу каскада вообще не ставится. Но количество транзисторов в выходном каскаде и способы их соединения весьма важны для конструирования высококачественных устройств. Попробуем восполнить этот пробел.

Структурная схема УМЗЧ по наиболее распространенной топологии Лина (Lin H. M.) показана на рисунке 1.

Рис. 1. Структура усилителя

Усилитель имеет трехкаскадную структуру. Первый каскад – дифференциальный (ДК). Он работает как преобразователь напряжения в ток (ИТУН – источник тока, управляемый напряжением), кроме того, он является воспринимающим узлом отрицательной обратной связи (ООС): из входного сигнала, поступающего на базу транзистора VT1, вычитается сигнал ООС, поступающий с выхода усилителя на базу транзистора VT2 через делитель напряжения R4, R3. Второй каскад усилителя на транзисторе VT3 осуществляет основное усиление по напряжению, поэтому он называется каскад усиления напряжения (КУН), или проще – усилитель напряжения. Этот каскад работает как преобразователь тока в напряжение (ИНУТ). Важной особенностью является высокое выходное сопротивление как самого каскада, так и его нагрузки, которое определяет не только коэффициент усиления каскада, но и его линейность.

На этом следует остановиться подробнее. Коэффициент преобразования каскада на транзисторе VT3 (зависимость выходного – коллекторного – напряжения от входного тока базы) вычисляется по формуле:

Здесь ( R ВЫХ VT3 || R J2 || R ВХ ВК ) – это суммарное сопротивление параллельно соединенных элементов: выходного сопротивления самого транзистора КУН VT3, внутреннее сопротивление источника тока J2, нагружающего транзистор VT3, и входное сопротивление следующего каскада – выходного каскада усилителя на транзисторах VT4, VT5. Чтобы обеспечить требуемое высокое усиление КУН (десятки тысяч раз), все сопротивления, входящие в формулу (1) должны иметь значения в сотни килоом и больше. Важным фактом является то, что входное сопротивление выходного каскада не просто влияет на работу КУН, а определяет его свойства.

Последний, третий каскад усилителя – выходной каскад (ВК). Он выполнен по схеме повторителя напряжения, так как его функция – передача напряжения с выхода КУН в нагрузку (ИНУН). При этом каскад должен иметь высокое входное и низкое выходное сопротивления, а также быть способным отдавать в нагрузку значительный по величине ток. Вот этот каскад нас и будет интересовать в плане его оптимальной конфигурации для наилучшей работы как самого по себе, так и во взаимодействии с предыдущим каскадом (КУН).

Взаимодействие с КУН проявляется двумя факторами. Во-первых, ток в базы транзисторов выходного каскада поступает с коллектора транзистора КУН, который этот ток должен обеспечить. Во-вторых, величина входного сопротивления ВК влияет на коэффициент преобразования КУН (в дальнейшем для простоты будем называть этот параметр коэффициентом усиления). В нашем случае важно, что нелинейность входного сопротивления ВК, которая характерна для биполярных транзисторов, будет транслироваться в коэффициент усиления КУН и сделает этот каскад также нелинейным. В результате искажения, вносимые в сигнал каскадом усиления напряжения, заметно возрастут.

Обычно главным требованием, предъявляемым к выходному каскаду, является достаточно высокий коэффициент передачи тока. Это важно вот по какой причине. Выходной ток усилителя Iвых 

(он же является выходным током ВК) может достигать больших значений. Например, выходной мощности 200 Вт на нагрузке 4 ома соответствует выходной ток десять ампер. Входной ток ВК – это ток базы транзисторов VT4, VT5 вычисляется по формуле:

И этот ток базы потребляется из коллекторной цепи предыдущего каскада – КУН, который должен обеспечить требуемое значение тока. То есть ток покоя КУН должен быть заведомо больше максимально возможного тока базы ВК, иначе в выходном каскаде возникнет токовое голодание и произойдет ограничение выходного сигнала. Так что с точки зрения выходного каскада ток покоя КУН должен быть достаточно большим. Учитывая, что коэффициент передачи тока h31э мощных транзисторов невелик, и заметно снижается при больших токах, то требуемый ток покоя транзистора КУН для одной пары выходных транзисторов, как на рис.1, оказывается слишком большим. Принимая максимальный выходной ток Iвых равным десяти амперам, и учитывая коэффициент передачи тока современных мощных транзисторов ВК в схеме на рис. 1 равным при таком токе 20…50, получаем ток покоя VT3 лежащим в пределах 0,2…0,5 ампер. Это нереально ни с точки зрения тепловых процессов, ни с точки зрения нормальной работы усилителя. Кроме того, входное сопротивление ВК, определяемое по формуле:

и являющееся сопротивлением нагрузки КУН, оказывается слишком низким: при сопротивлении нагрузки 4 ома получается Rвх ВК = 80…200 ом.

Проблема решается применением составного эмиттерного повторителя в ВК. То есть сам выходной каскад УМЗЧ становится многокаскадным, а название «выходной каскад» относится в этом случае не к конкретному усилительному каскаду на том или ином транзисторе, а к определенному структурному звену усилителя. У составного эмиттерного повторителя общий коэффициент передачи тока h31э намного больше, чем у одиночного транзистора – он является произведением коэффициентов передачи каждого из транзисторов. При этом следует учитывать, что и при малых, и при больших токах коллектора величина h31э каждого из транзисторов сильно снижается, поэтому общий коэффициент передачи тока получается заметно меньше, чем хотелось бы.

Наиболее популярными являются схемы выходного каскада, использующие составные транзисторы Дарлингтона и двухкаскадного эмиттерного повторителя, рисунок 2 а, б. Именно двухкаскадная схема выходного повторителя описана в литературе и применяется наиболее широко. Гораздо реже используется трехкаскадная схема, рис. 2в. Такая схема применялась в конце ХХ века с мощными транзисторами предыдущего поколения, которые имели довольно низкий собственный коэффициент передачи тока h31э, поэтому приходилось использовать три транзистора для получения приемлемого усиления по току и входного сопротивления.

Рис. 2. Варианты выходного каскада усилителя.

Давайте рассмотрим работу каждой из схем, представленных на рисунке 2, и сравним их свойства. В данном случае нас интересуют влияние выходного каскада на предыдущий каскад – КУН, которое проявляется в потреблении от него тока баз транзисторов ВК, а также величине и линейности входного сопротивления ВК, влияющих на коэффициент усиления КУН и вносимые им искажения. Исследование будем проводить на модели (программа Multisim ). Как известно, симуляторы не идеально моделируют работу транзисторов и иногда имеют довольно большую погрешность, особенно в «тонких» аспектах их работы. Однако в данном случае погрешность будет мала, так как задействованы более точные низкочастотные модели транзисторов, в которых используются в основном входные характеристики и зависимости коэффициента передачи от тока коллектора, а эти свойства транзисторов как раз довольно хорошо моделируются современными симуляторами. Для моделирования использовались схемы, показанные на рисунке 2.

Для начала рассмотрим величину общего коэффициента передачи тока, получившегося у выходного каскада каждой структуры, рисунок 3. Из рисунка хорошо видно, что коэффициент передачи тока очень сильно зависит от выходного тока. И если снижением значения h31 при малых токах можно пренебречь (так как и выходной ток в числителе формулы (2) становится маленьким), то при больших токах снижение коэффициента передачи весьма неприятно. Коэффициенты передачи тока в ВК на составных транзисторах Дарлингтона и двухкаскадном довольно близки, при больших токах они становятся практически равными, и их величина составляет примерно 20000 раз. Этого явно недостаточно, поскольку по формулам (2) и (3) получаем: Iб=0,5 мА; Rвх ВК = 80 кОм. То есть входной ток ВК будет составлять порядка десяти процентов от тока покоя ВК, что заметно повлияет на работу последнего. А входное сопротивление ВК будет самым минимальным из тех сопротивлений, которые входят в формулу (1), следовательно, его влияние на коэффициент усиления КУН наибольшее и нелинейность входного сопротивления ВК заметно увеличит нелинейность КУН.

Рис. 3. Коэффициент передачи выходного каскада усилителя.

С трехкаскадной схемой дело обстоит намного лучше. Поскольку его коэффициент передачи при токе десять ампер равен 225000 раз, то Iб ~ 50 мкА; Rвх ВК=900 кОм. Ток баз транзисторов ВК достаточно мал, чтобы не влиять на режим работы транзистора КУН, а входное сопротивление ВК намного больше остальных сопротивлений, входящих в формулу (1), и его влиянием можно пренебречь. По этой причине нелинейность входного сопротивления ВК практически не скажется на работе КУН. Таким образом, трехкаскадный ВК выглядит более предпочтительным.

Однако приведенные выше рассуждения могут оказаться довольно приблизительными. Тем более что в двухкаскадном ВК ток базы транзисторов VT1, VT2 (рис. 2б) определяется не только током, отдаваемым в базы транзисторов VT3, VT4, но и их собственным током покоя. Использование симулятора позволяет определить величины токов и искажений транзисторов непосредственно. Токи баз транзисторов ВК (суммарный входной ток ВК) при синусоидальном входном сигнале для всех типов схем приведены на рисунке 4. Там же показан и график напряжения на входе ВК, чтобы сделать нагляднее нелинейность входного тока.

Рис. 4. Форма сигнала выходного каскада усилителя.

Графики на рисунке 4 подтверждают сделанные ранее предположения. Двойная амплитуда (пик-пик) входного тока ВК по схеме Дарлингтона и двухкаскадного примерно составляет один миллиампер. Также хорошо видна нелинейность этого тока, проявляющаяся в отличие графика тока от синусоидального графика напряжения. Графики тока несимметричны относительно оси времени и имеют заметную разницу амплитуд для положительной и отрицательной полуволн. Это означает наличие второй, а возможно и других четных гармоник значительной величины. Сами полуволны тока значительно более узкие, чем полуволны синусоиды входного напряжения. Это говорит о наличии значительных нечетных гармоник в спектре. Кроме того, форма тока аналогична форме сигнала при значительных искажениях типа «ступенька», несмотря на довольно большую величину тока покоя выходных транзисторов, равную примерно 200 миллиампер, что также указывает о значительные нелинейные искажения. Искажения типа «ступенька» проявляются несмотря на то, что параметры всех схем подобраны таким образом, чтобы в режиме класса АВ работали только выходные транзисторы ( VT3, VT4 на рис. 2б и VT5, VT6 на рис. 2в). На самом деле это не классические искажения “ступенька”, возникающие при работе в режиме класса В, но похожие на них, поэтому для краткости я их буду так называть. Остальные транзисторы схемы в режим отсечки коллекторного тока не входят (т.е. работают в классе А). Это не относится к составным транзисторам Дарлингтона, у которых выходной транзистор открывается и закрывается вместе со своими внутренними элементами. На вид нелинейность двухкаскадного ВК несколько выше, чем у схемы Дарлингтона. Входной ток трехтранзисторной схемы ВК намного меньше, чем у остальных схем, и на первый взгляд более линеен.

О поведении ВК, содержащего три пары транзисторов судить по рисунку 4 сложно – уж очень мала амплитуда входного тока этого каскада. Поэтому тот же график показан на рисунке 5, но у него масштаб по оси тока в десять раз выше. Поведение трехкаскадного ВК также согласуется с приведенными выше рассуждениями. Амплитуда тока в этой схеме в десять раз меньше, чем у ВК с двумя парами транзисторов, а линейность заметно выше – график тока практически совпадает с синусоидой входного напряжения, и «ступенька» практически отсутствует. Следовательно, выходной каскад с тремя парами транзисторов действительно практически не влияет на работу КУН, не снижает его усиления и не повышает его нелинейность.

Рис. 5. Форма сигнала выходного каскада усилителя (растянуто).

В заключение давайте рассмотрим непосредственно нелинейные искажения, вносимые выходными каскадами разных типов. Выходной каскад – источник наибольших искажений, поэтому проблема их снижения является важной. Я твердо убежден, что даже при использовании глубокой общей отрицательной обратной связи (ООС), линеаризующей усилитель, необходимо добиваться максимальной линейности изначального усилителя при разомкнутой петле ООС. Прежде чем рассматривать нелинейные искажения, вносимые каждым из выходных каскадов, необходимо вспомнить, что входной сигнал на ВК поступает с выхода КУН, который является высокоомным. Поэтому на рисунке 6 показан коэффициент гармоник каждого из выходных каскадов при различном сопротивлении источника сигнала. Если источник сигнала является источником напряжения, и его внутреннее сопротивление близко к нулю, то искажения трехкаскадного ВК максимальны – сказывается три нелинейных входных характеристики на пути сигнала. Однако при повышении выходного сопротивления источника сигнала искажения выходного каскада начинают определяться нелинейностью его входного тока, и трехкаскадная схема демонстрирует почти вдесятеро лучшую линейность, по сравнению с двумя другими. Именно в таком режиме и работает реальный ВК.

Рис. 6. Искажения выходного каскада усилителя.

Рисунок 6 показывает искажения непосредственно ВК, но на самом деле влияние выходного каскада на сигнал усилителя является комплексным – он влияет также на режим работы КУН (отбирая у него ток), а значит и на линейность последнего; влияет на усиление и линейность КУН через входное сопротивление ВК, а также имеет собственную нелинейность. Поэтому необходимо оценить также и влияние схемотехники выходного каскада на усилитель в целом. Искажения усилителя в целом при использовании выходных каскадов различных типов показаны на рисунке 7. На рисунке изображены графики зависимости коэффициента гармоник УМЗЧ без общей ООС (чтобы ООС не снижала искажения и не нивелировала различия в типах ВК) от типа выходного каскада на разных частотах. Необходимость учета частоты вызвана тем, что каскад усиления напряжения охвачен местной частотнозависимой ООС (через конденсатор С на рис. 1), которая с ростом частоты снижает его выходное сопротивление. А величина выходного сопротивления КУН сказывается на величине искажений ВК. На низких и средних частотах нелинейные искажения усилителя с выходным каскадом, содержащим три пары транзисторов, почти в десять раз ниже, чем в традиционной двухтранзисторной схеме. На высоких частотах – ниже в полтора-два раза.

Рис. 7. Влияние типа выходного каскада на искажения усилителя в целом.

Выводы

1. Усилители, оснащенные выходным каскадом различных типов, имеет значительно различающиеся величины нелинейных искажений. Наименьшими искажениями обладает усилитель с выходным каскадом на трех парах транзисторов (рис. 2в). Это подтверждается как исследованием свойств каскадов и особенностей их работы, так и непосредственными измерениями. В настоящее время такой выходной каскад употребляется большей частью в усилителях без общей ООС, как раз из-за его высокой линейности.

2. Наихудшей в плане линейности является схема ВК с двумя парами транзисторов (рис. 2б). Схема, содержащая составные транзисторы Дарлингтона, имеет несколько более высокую линейность. Обратите внимание, что разница между этими каскадами маленькая. А параметры выходных транзисторов разных типов сильно различаются, так что может быть с какими-то транзисторами двухкаскадная схема окажется лучше, чем транзисторы Дарлингтона. Да и симулятор вносит некоторую погрешность в результат, вот только неизвестно, в чью пользу. Так что утверждать наверняка о том, что схема Дарлингтона всегда имеет преимущество перед двухкаскадной, я бы не стал.

3. Соотношения линейностей разных типов выходных каскадов «лучший-средний-худший» сохраняются для всех сторон работы как ВК отдельно, так и совместно с остальными каскадами усилителя. Следовательно, эти свойства закономерны и являются следствиями различий в схемотехнике выходных каскадов, независимо от типов применяемых транзисторов и режимов их работы.

Рекомендации

1. При охвате усилителя глубокой общей ООС, его искажения заметно снижаются. Поэтому разница в применении выходных каскадов различных типов будет мала. Тем более что на средних и особенно низких частотах, где различие линейных свойств ВК наибольшее, глубина ООС максимальна, и в наибольшей степени сглаживает различия в типах ВК. Таким образом, в бюджетных решениях с глубокой общей ООС можно рекомендовать схему на рисунке 2б, как наиболее простую и дешевую. Скорее всего, наиболее широкое применение этой схемы вызвано именно экономическими причинами (она применяется и в дорогих Hi-End усилитлелях – несмотря на заявления производителей о их бесконечной заботе о звуке, на самом деле они заботятся о прибылях, и экономят на всем, в том числе и на транзисторах ВК).

2. Выходной каскад на составных транзисторах Дарлингтона (рис. 2а) обладает чуть лучшей линейностью, чем схема с двумя парами транзисторов. Но при работе в режиме класса АВ в таком каскаде будут наибольшие проблемы, вызванные наличием неуправляемых токов транзистора из-а рассасывания неосновных носителей при его запирании. Это вызывает появление так называемых коммутационных искажений, которые в наибольшей степени проявляются именно в составных транзисторах Дарлингтона. В моем моделировании коммутационные искажения не учитывались. Так что такая схема может быть рекомендована лишь для супербюджетных или очень малогабаритных конструкций.

3. Наилучшей линейностью, заметно превосходящей конкурентов, обладает схема выходного каскада с тремя парами транзисторов (рис. 2в). Именно ее необходимо использовать для построения действительно высококачественных УМЗЧ. Тем более что она не намного сложнее других схем – дополнительно появляются всего два маломощных транзистора и один резистор, так что ее соотношение цена/качество этой схемы заметно лучше, чем у остальных. Тот факт, что глубокая общая ООС нивелирует разницу в работе выходных каскадов не следует принимать во внимание при разработке высококачественной звукотехники, поскольку здесь возникает ряд «тонких моментов», и наилучшей ситуацией является такая, когда исходный усилитель максимально линеен еще до охвата его цепью ООС . Именно игнорирование этого принципа приводит к тому, что субъективные оценки звучания усилителя получаются низкими и делаются заявления о «вреде» общей ООС.

19.04.2019

Total Page Visits: 1070 — Today Page Visits: 6

Шпионские штучки, или Секреты тайной радиосвязи / Арсенал-Инфо.рф

Принцип действия

В настоящее время в микрофонных усилителях в качестве усилительных каскадов низкочастотного сигнала широко используются обычные транзисторные усилители, в которых биполярный транзистор включен по схеме с общим эмиттером. Именно такие усилительные каскады, по сравнению со схемами с общей базой и с общим коллектором, обеспечивают наибольшее усиление по мощности.

Упрощенная принципиальная схема усилительного каскада, выполненного на биполярном транзисторе n-p-n проводимости, включенном по схеме с общим эмиттером, приведена на рис. 2.1а.

Рис. 2.1. Принципиальные схемы усилительного каскада на биполярном транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером (а) и усилительного каскада на полевом транзисторе, включенном по схеме с общим истоком (б)

В данной схеме коэффициент усиления по току представляет собой отношение амплитуд (действующих значений) выходного и входного переменного тока, то есть переменных составляющих тока коллектора и тока базы транзистора.

Главным параметром, характеризующим транзистор, включенный по схеме с общим эмиттером, является статический коэффициент усиления по току (коэффициент передачи тока) для схемы с ОЭ, который обозначается как b. Этот параметр для того или иного типа биполярного транзистора при необходимости можно найти в любом справочнике.

В транзисторном усилительном каскаде, выполненном по схеме с общим эмиттером, между входным и выходным напряжениями имеется фазовый сдвиг, составляющий 180°. Наличие указанного фазового сдвига объясняется особенностями функционирования такого каскада. При поступлении на базу транзистора VТ1 положительной полуволны входного сигнала происходит увеличение напряжения на переходе база-эмиттер. В результате возрастает ток эмиттера, и, соответственно, ток коллектора транзистора. Увеличение тока коллектора приводит к увеличению падения напряжения на резисторе R1, который является коллекторной нагрузкой. Иными словами, на нагрузочном резисторе дополнительно к уже имеющемуся постоянному напряжению добавляется переменное напряжение с той же полярностью. При этом напряжение на коллекторе транзистора VТ1, соответственно, уменьшается. Таким образом, при подаче положительной полуволны переменного напряжения на вход транзисторного каскада по схеме с общим эмиттером на его выходе формируется отрицательная полуволна выходного напряжения.

Достоинством схемы с общим эмиттером, помимо наибольшего усиления по мощности, является удобство питания от одного источника, так как на базу и коллектор транзистора подаются питающие напряжения одного знака. К недостаткам данной схемы включения следует отнести сравнительно малое входное сопротивление транзистора, определяемое особенностями конструкции биполярных транзисторов. Помимо этого, схема с общим эмиттером имеет худшие, по сравнению, например, со схемой с общей базой, частотные и температурные характеристики. С повышением частоты усиление в схеме с общим эмиттером снижается в значительно большей степени, чем, в схеме с общей базой.

Усилительные каскады на биполярных транзисторах, включенных по схемам с общей базой и с общим коллектором, практически не применяются в микрофонных усилителях миниатюрных радиопередатчиков. Поэтому подробное рассмотрение особенностей функционирования таких каскадов выходит за рамки данной книги. Необходимую информацию заинтересованные читатели могут найти в специализированной литературе.

Тем не менее, схемы включения биполярного транзистора с общей базой и с общим коллектором широко используются в схемотехнических решениях активного элемента высокочастотных генераторов маломощных радиопередающих устройств, о которых будет рассказано в одной из следующих глав. Поэтому автор считает необходимым хотя бы весьма коротко отметить основные преимущества и недостатки таких схем включения.

Усилительный каскад, выполненный по схеме с общей базой, по сравнению со схемой с общим эмиттером, обеспечивает значительно меньшее усиление по мощности и имеет еще меньшее входное сопротивление. Однако его температурные и частотные свойства значительно лучше. Помимо этого в схеме с общей базой отсутствует фазовый сдвиг между входным и выходным сигналами. Достоинством усилительного каскада по схеме с общей базой также является внесение значительно меньших искажений при усилении сигнала.

В усилительном каскаде, выполненном по схеме с общим коллектором, нагрузка включена в цепь эмиттера транзистора, а выходное напряжение снимается с эмиттера по отношению к шине корпуса. Именно поэтому такой каскад называют эмиттерным повторителем. Входное сопротивление каскада по схеме с общим коллектором в десятки раз выше, чем у каскада с общим эмиттером, а выходное сопротивление, наоборот, сравнительно мало. Помимо этого коэффициент усиления по току эмиттерного повторителя почти такой же, как и у каскада по схеме с общим эмиттером. Однако коэффициент усиления по напряжению близок к единице, причем всегда меньше ее. В схеме с общим коллектором отсутствует фазовый сдвиг между входным и выходным сигналами.

Нередко в микрофонных усилителях миниатюрных радиопередатчиков применяются усилительные каскады на полевых транзисторах. Полевые транзисторы, в отличие от биполярных, имеют большое входное сопротивление, чем значительно облегчается решение задачи согласования каскадов. Обычно предпочтение отдается схемотехническим решениям, в которых полевой транзистор включен по схеме с общим истоком. Упрощенная принципиальная схема усилительного каскада, выполненного на полевом транзисторе с каналом n-типа, включенном по схеме с общим истоком, приведена на рис. 2.1б.

Принцип работы усилительного каскада на полевом транзисторе, включенном по схеме с общим истоком, заключается в следующем. С увеличением потенциала затвора ток в цепи стока и, соответственно, падение напряжения на резисторе R1 в цепи нагрузки возрастают. При этом напряжение между стоком и истоком уменьшается. В результате переменное напряжение между стоком и истоком оказывается сдвинутым по фазе на 180° относительно переменного напряжения между затвором и истоком.

Для оценки работы усилительного каскада на полевом транзисторе обычно используют такие характеристики, как коэффициент усиления по напряжению и выходное сопротивление каскада. Необходимо отметить, что значения входной, проходной и выходной емкостей полевого транзистора весьма малы и обычно не превышают нескольких пикофарад. Поэтому их влиянием на работу низкочастотного усилительного каскада можно пренебречь.

Принцип действия усилительного каскада, выполненного на биполярном транзисторе n-p-n проводимости, включенном по схеме с общим эмиттером, рассмотрим на примере простейшего микрофонного усилителя, принципиальная схема которого приведена на рис. 2.2.

Рис. 2.2. Принципиальная схема простейшего микрофонного усилителя на n-p-n-транзисторе

В рассматриваемой схеме сигнал, сформированный на выходе микрофона BM1, через разделительный конденсатор С1 поступает на базу транзистора VТ1, включенного по классической схеме с общим эмиттером. Конденсатор С1 обеспечивает развязку входной цепи усилителя и выходной цепи источника сигнала (микрофон BM1) по постоянному току. При отсутствии этого конденсатора сопротивление резистора R3 совместно с малым сопротивлением перехода база-эмиттер транзистора VТ1 шунтирует выход источника сигнала. Помимо этого выходное сопротивление микрофона оказало бы неприемлемое влияние на положение рабочей точки транзистора VТ1, изменив режим его работы. Аналогичные функции выполняет разделительный конденсатор С2, обеспечивая развязку по постоянному току выходной цепи микрофонного усилителя и входных цепей подключаемых к его выходу каскадов. Через резистор R1 на соответствующий вывод электретного микрофона BM1 подается напряжение, необходимое для штатного функционирования микрофона.

При отсутствии входного сигнала на базе транзистора VТ1, включенного по схеме с общим эмиттером, присутствует напряжение смещения, формируемое делителем R2, R3 из напряжения питания. Наличие напряжения смещения обеспечивает протекание тока между коллектором и эмиттером транзистора. Величина этого тока, который обычно называют коллекторным током, зависит от соотношения величин сопротивлений резисторов R2 и R3. Изменение этого соотношения приводит к смещению рабочей точки на характеристике транзистора VТ1 и, соответственно, к изменению его режима работы.

При поступлении сигнала на базу транзистора VТ1 происходит изменение тока базы, что вызывает соответствующее изменение величины коллекторного тока. В результате по аналогичному закону происходит изменение разности потенциалов на резисторе R4, выполняющем функцию нагрузочного резистора в цепи коллектора транзистора VТ1. Как уже отмечалось, при возрастании напряжения на базе транзистора VТ1 происходит падение напряжения на его коллекторе, и, наоборот, при падении напряжения на базе, напряжение на коллекторе увеличивается. Таким образом, выходное напряжение однокаскадного транзисторного усилителя будет находиться в противофазе входному напряжению.

Усилительный каскад с общей базой

Добавлено 6 октября 2017 в 12:14

Сохранить или поделиться

Последний тип схемы усилителя на биполярном транзисторе (рисунок ниже), который мы должны изучить, это схема с общей базой. Эта конфигурация сложнее двух предыдущих и менее распространена из-за своих странных рабочих характеристик.

Усилитель с общей базой (стрелками показаны направления движения потоков электронов)

Она называется схемой с общей базой, поскольку (игнорируя источники питания постоянного напряжения) источник сигнала и нагрузка делят между собой вывод базы как общую точку (рисунок ниже).

Усилитель с общей базой: вход между эмиттером и базой, выход между коллектором и базой

Возможно, наиболее яркой характеристикой этого типа включения транзистора является то, что источник входного сигнала обеспечивать полный ток эмиттера транзистора, о чём свидетельствуют толстые стрелки на первой иллюстрации. Как известно, ток эмиттера больше, чем любой другой ток в транзисторе, так как является суммой токов базы и коллектора. В последних двух типах усилительных каскадов источник сигнала был подключен к выводу базы транзистора, таким образом, работая на минимально возможном токе.

Поскольку в этой схеме входной ток превышает все другие токи, включая выходной ток, коэффициент усиления по току на самом деле меньше 1 (обратите внимание, как R_нагр подключен к коллектору, тем самым пропуская через себя немного меньший ток, чем источник сигнала). Другими словами, эта схема ослабляет ток, а не усиливает его. В схемах с общим эмиттером и общим коллектором из всех параметров транзистора с усилением тесно был связан β. В схеме с общей базой нам нужен другой основной параметр транзистора: отношение тока коллектора к току эмиттера, который представляет собой дробное число, всегда меньше 1. Это дробное значение для любого транзистора называется коэффициентом α (альфа).

Поскольку данная схема, очевидно, не может повысить ток сигнала, было бы разумным ожидать, что она увеличит напряжение сигнала. Моделирование SPICE схемы на рисунке ниже подтвердит это предположение.

Схема с общей базой для SPICE анализа по постоянному току

common-base amplifier
vin 0 1
r1 1 2 100
q1 4 0 2 mod1
v1 3 0 dc 15
rload 3 4 5k
.model mod1 npn
.dc vin 0.6 1.2 .02
.plot dc v(3,4)
.end

Усилитель с общей базой: график зависимости выходного напряжения от входного напряжения

Обратите внимание, что выходное напряжение изменяется практически от нуля (отсечка) до 15,75 вольт (насыщение), при этом входное напряжение меняется от 0,6 вольта до 1,2 вольта. Фактически, график выходного напряжения не показывает роста примерно до 0,7 вольта на входе и прекращает расти (выпрямляется) примерно при 1,12 вольта на входе. Это показывает довольно большой коэффициент усиления по напряжению с интервалом выходных напряжений 15,75 вольт и интервалом входных напряжений всего 0,42 вольт: коэффициент усиления составляет 37,5 раз, или 31,48 дБ. Также обратите внимание на то, как при насыщении выходное напряжение (измеренное на R_нагр) на самом деле превышает напряжение источника питания (15 вольт) из-за эффекта последовательного добавления источника входного напряжения.

Второй SPICE анализ модифицированной схемы (рисунок ниже) с источником сигнала переменного напряжения (и постоянным напряжением смещения) говорит о том же: о высоком коэффициенте усиления по напряжению.

Схема с общей базой для SPICE анализа по переменному току

common-base amplifier
vin 5 2 sin (0 0.12 2000 0 0)
vbias 0 1  dc 0.95
r1 2 1 100
q1 4 0 5 mod1
v1 3 0 dc 15
rload 3 4 5k
.model mod1 npn
.tran 0.02m 0.78m
.plot tran v(5,2) v(4)
.end

Как вы можете видеть, входной и выходной сигналы на рисунке ниже синфазны друг с другом. Это говорит о том, что усилитель с общей базой является неинвертирующим.

Усилительный каскад с общей базой: осциллограммы входного и выходного напряжений

SPICE анализ по переменному току в таблице ниже на одной частоте 2 кГц предоставляет данные о входном и выходном напряжениях для расчета коэффициента усиления.

AC анализ схемы с общей базой на частоте 2 кГц: список соединений и выходные данные

common-base amplifier
vin 5 2  ac 0.1 sin
vbias 0 1  dc 0.95
r1 2 1 100
q1 4 0 5 mod1
v1 3 0 dc 15    
rload 3 4 5k    
.model mod1 npn 
.ac dec 1 2000 2000
.print ac vm(5,2) vm(4,3) 
.end

frequency       mag(v(5,2))     mag(v(4,3))
--------------------------------------------
0.000000e+00    1.000000e-01    4.273864e+00

Значения напряжений из второго анализа (таблица выше) показывают коэффициент усиления по напряжению 42,74 (4,274 В / 0.1 В), или 32,617 дБ:

\[A_V = { V_{вых} \over V_{вх} }\]

\[A_V = { 4,274 В \over 0,10 В }\]

\[A_V = 42,74\]

\[A_{V(дБ)} = 20 \log A_{V(раз)}\]

\[A_{V(дБ)} = 20 \log 42,74\]

\[A_{V(дБ)} = 32,62 дБ\]

Вот еще один вид схемы с общей базой (рисунок ниже), на которой видны фазы и смещения по постоянному напряжению для разны сигналов в только что промоделированной схеме.

Соотношения фаз и смещений в усилителе на NPN транзисторе с общей базой

То же самое для PNP транзистора (рисунок ниже).

Соотношения фаз и смещений в усилителе на PNP транзисторе с общей базой

Для схемы усилителя с общей базой определить заранее коэффициент усиления по напряжению довольно сложно, что связано с аппроксимацией поведения транзистора, которое трудно измерить напрямую. В отличие от других типов усилительных схема, где коэффициент усиления по напряжению либо устанавливается соотношением двух резисторов (в схеме с общим эмиттером), либо фиксировался на неизменном значении (схема с общим коллектором), коэффициент усиления по напряжению в схеме с общей базой зависит во многом от величины напряжения смещения входного сигнала. Как выясняется, внутреннее сопротивление транзистора между эмиттером и базой играет важную роль в определении коэффициента усиления по напряжению, и это сопротивление изменяется в зависимости от величины тока, протекающего через эмиттер.

Хотя это явление трудно объяснить, его довольно легко продемонстрировать с помощью компьютерного моделирования. Я собираюсь запустить несколько SPICE моделирований схемы усилителя с общей базой (предыдущий рисунок), слегка изменив постоянное напряжение смещения (vbias в коде ниже), оставив теми же амплитуду входного сигнала переменного напряжения и все остальные параметры схемы. Когда в разных моделированиях коэффициент усиления по напряжению будет меняться, это будет заметно по разным амплитудам выходного напряжения.

Несмотря на то, что эти анализы будут проводиться в режиме “transfer function” (коэффициент передачи), каждый из них был сначала проверен в режиме временного анализа (построен график напряжения в зависимости от времени), чтобы гарантировать, что вся синусоида сигнала была воспроизведена точно, а не «обрезана» из-за неправильного смещения. Смотрите «*.tran 0.02m 0.78m» в коде ниже, это «закомментирование» оператора временного анализа. Вычисление коэффициента усиления не может основываться на сигналах искаженной формы. SPICE может для нас рассчитать коэффициент усиления небольшого сигнала постоянного напряжения с помощью оператора «*.tf v(4) vin«. Выходное напряжение – это v(4), а входное напряжение – это vin.

common-base amp vbias=0.85V
vin 5 2  sin (0 0.12 2000 0 0)
vbias 0 1  dc 0.85
r1 2 1 100      
q1 4 0 5 mod1   
v1 3 0 dc 15    
rload 3 4 5k    
.model mod1 npn 
*.tran 0.02m 0.78m
.tf v(4) vin
.end

common-base amp current gain
Iin 55 5 0A
vin 55 2  sin (0 0.12 2000 0 0)
vbias 0 1  dc 0.8753
r1 2 1 100      
q1 4 0 5 mod1   
v1 3 0 dc 15    
rload 3 4 5k    
.model mod1 npn 
*.tran 0.02m 0.78m
.tf I(v1) Iin
.end
Transfer function information:
transfer function = 9.900990e-01
iin input impedance = 9.900923e+11
v1 output impedance = 1.000000e+20

Список соединений SPICE (слева): Схема усилителя с общей базой, функция передачи (коэффициент усиления по напряжению) для различных постоянных напряжений смещения. Обратите внимание на оператор .tf v(4) vin.
Список соединений SPICE (справа): Схема усилителя с общей базой, коэффициент усиления по току; функция передачи для коэффициента усиления по постоянному току равна I(v1)/Iin. Обратите внимание на оператор .tf I(v1) Iin

Командная строка spice -b filename.cir благодаря оператору .tf выводит следующие данные: transfer_function (коэффициент передачи), output_impedance (выходное сопротивление) и input_impedance (входное сопротивление). Сокращенный вывод команды, запущенной для напряжений смещения vbias0.85, 0.90, 0.95, 1.00 вольт, приведен ниже

Вывод SPICE: коэффициент передачи схемы с общей базой:

Circuit: common-base amp vbias=0.85V        // напряжение смещения 0,85 вольта
transfer_function = 3.756565e+01            // коэффициент передачи
output_impedance_at_v(4) = 5.000000e+03     // выходное сопротивление
vin#input_impedance = 1.317825e+02          // входное сопротивление
 
Circuit: common-base amp vbias=0.8753V Ic=1 mA  // напряжение смещения 0,8753 вольта
Transfer function information:
transfer_function = 3.942567e+01            // коэффициент передачи
output_impedance_at_v(4) = 5.000000e+03     // выходное сопротивление
vin#input_impedance = 1.255653e+02          // входное сопротивление
 
Circuit: common-base amp vbias=0.9V         // напряжение смещения 0,9 вольта
transfer_function = 4.079542e+01            // коэффициент передачи
output_impedance_at_v(4) = 5.000000e+03     // выходное сопротивление
vin#input_impedance = 1.213493e+02          // входное сопротивление
 
Circuit: common-base amp vbias=0.95V        // напряжение смещения 0,95 вольта
transfer_function = 4.273864e+01            // коэффициент передачи
output_impedance_at_v(4) = 5.000000e+03     // выходное сопротивление
vin#input_impedance = 1.158318e+02          // входное сопротивление
 
Circuit: common-base amp vbias=1.00V        // напряжение смещения 1,00 вольт
transfer_function = 4.401137e+01            // коэффициент передачи
output_impedance_at_v(4) = 5.000000e+03     // выходное сопротивление
vin#input_impedance = 1.124822e+02          // входное сопротивление

Тенденция в списке выше должна быть очевидна. С увеличением постоянного напряжения смещения также увеличивается и коэффициент усиления по напряжению (transfer_function). Мы видим, что коэффициент усиления по напряжению увеличивается, потому что каждео последующее моделирование (vbias = 0.85, 0.8753, 0.90, 0.95, 1.00 В) дает больший коэффициент усиления (transfer_function = 37.6, 39.4 40.8, 42.7, 44.0) соответственно. Эти изменения во многом обусловлены незначительными изменениями напряжения смещения.

Последние три строки в списке соединений выше (справа) показывают коэффициент усиления по току I(v1)/Iin = 0,99 (последние две строки выглядят неправильными). Это имеет смысл для β=100; α= β/(β+1), α=0.99=100/(100-1). Это сочетание низкого коэффициента усиления по току (всегда меньше 1) и несколько непредсказуемого коэффициента усиления по напряжению говорит не в пользу схемы с общей базой, оставляя ей лишь несколько вариантов практических применений.

Эти несколько приложений включают в себя радиочастотные усилители. База, посаженная на корпус, помогает защитить входной сигнал на эмиттере от входного сигнала на коллекторе, предотвращая нестабильность в радиочастотных усилителях. Схема с общей базой может использоваться на более высоких частотах, чем схемы с общим эмиттером и общим коллектором. Смотрите раздел «Радиочастотный усилитель мощности 750 мВт класса C с общей базой» в главе 9. Более сложную схему можно увидеть в разделе «Усилитель малых сигналов класса A с общей базой и высоким коэффициентом усиления» в главе 9.

Подведем итоги:

• Транзисторные усилители с общей базой называются так, потому что точки подачи входного напряжения и снятия выходного напряжения совместно используют вывод базы транзистора (игнорируя все источники питания).
• Коэффициент усиления по току усилителя с общей базой всегда меньше 1. Коэффициент усиления по напряжению зависит от входных и выходных сопротивлений, а также от внутреннего сопротивления перехода эмиттер-база, которое может измениться при изменении постоянного напряжения смещения. Достаточно сказать, коэффициент усиления по напряжению у усилителя с общей базой может быть очень высоким.
• Отношение тока коллектора транзистора к току эмиттера называется коэффициентом α. Значение α для любого транзистора всегда меньше единицы.

Оригинал статьи:

Теги

Биполярный транзисторКаскад с общей базойКоэффициент усиления по напряжениюКоэффициент усиления по токуОбучениеЭлектроника

Сохранить или поделиться

Усилительный каскад | Шаг за шагом

Наряду с электронной лампой и источником ее питания одним из важнейших элементов усилительного каскада является анодная нагрузка. Именно в нагрузке и выделяется «мощная копия» усиливаемого сигнала.

Как уже отмечалось, в качестве нагрузки может использоваться головной телефон, громкоговоритель, обычное сопротивление, колебательный контур, дроссель (лист 131) и другие элементы. Нагрузка, как правило, включается непосредственно в анодную цепь лампы, и через нее к аноду подводится положительное напряжение. Рассмотрим вкратце работу усилительного каскада, в котором в качестве анодной нагрузки используется обычное сопротивление (лист 132).

Если напряжение на управляющей сетке неизменно, то в анодной цепи лампы протекает постоянный ток — ток покоя. Если же к управляющей сетке подвести усиливаемый сигнал, то анодный ток станет пульсирующим: под действием сигнала, приложенного к сетке, будет изменяться величина анодного тока, однако направление его всегда будет одним и тем же — от анода к катоду. Электроны, конечно, двигаются от катода к аноду, но при рассмотрении схем мы пользуемся условным направлением тока.

Пульсирующий анодный ток содержит постоянную I_а= и переменную I_a≈ составляющие, которые в случае необходимости можно разделить с помощью фильтров (лист 124). Основную роль в процессе усиления играет переменная составляющая I_a≈ анодного тока, появившаяся под действием усиливаемого сигнала: именно I_a≈ , проходя по нагрузке, создает мощную копию этого сигнала.

На чертеже 11 более подробно показан пут переменной составляющей анодного тока в усилительном каскаде. Через лампу и нагрузку переменная составляющая I_a≈ проходит вместе с постоянной I_а=, а затем пути их расходятся: переменная составляющая возвращается к лампе через конденсатор фильтра вырямителей С_ф2(С₃₄), а постоянная составляющая проходит через повышающую обмотку трансформатора через вентиль и сопротивление фильтра R_ф(_R19). При батарейном питании анодной цепи обе составляющие I_а= и I_a≈, проходят через батарею, причём последнюю рекомендуется шунтировать конденсатором большой емкости, чтобы облегчить путь для I_a≈.

Переменная составляющая анодного тока I_a≈, переходя по анодной нагрузке, создает на ней переменное напряжение и выделяет определенную мощность (лист 133).

Практически можно считать, что напряжение Uвых равно U_н≈, так как емкостное сопротивление переходного конденсатора С_с(С₂₈) сравнительно невелико.

Чем больше сопротивление анодной нагрузки R_н, тем больше будет переменное напряжение U_н≈, а следовательно, и U_вых. Иными словами: чем больше сопротивление анодной нагрузки, тем больше и усиление каскада (рис. 89).

Однако беспредельно увеличивать анодную нагрузку нельзя, так как это может привести к появлению сильных искажений сигнала и к уменьшению переменного напряжения.

Одна из причин, ограничивающих увеличение сопротивления нагрузки R_н, связана с тем, что постоянная составляющая анодного тока I_a=, проходя по сопротивлению R_н, создает на нем постоянное падение напряжений. Чем больше ток I_а= и чем больше сопротивление R_н тем большая часть напряжения, поступающего с выпрямителя, теряется на нагрузке и тем, следовательно, меньше постоянное напряжение, действующее между анодом и катодом лампы (анодное напряжение). При очень большом сопротивлении нагрузки анодное напряжение может уменьшиться настолько, что каскад вообще перестанет усиливать (рис. 90). Сказанное можно пояснить и иначе. Лампа и нагрузка образуют своеобразный делитель напряжения, подключенный к анодному выпрямителю. Чем больше сопротивление верхней части делителя, то есть сопротивления R_н, тем меньшая часть напряжения остается на участке анод — катод.

Максимально допустимая величина R_н определяется также переменным напряжением, которое действует между анодом и катодом лампы. В некоторые моменты времени полярность переменного напряжения на аноде такова, что оно действует против постоянного напряжения и общее напряжение на аноде очень мало (лист 130). В эти моменты анод плохо «притягивает» электроны, анодный ток резко уменьшается и перестает «подчиняться» управляющему напряжению на сетке. В результате этого форма кривой анодного тока становится не похожей на форму кривой управляющего напряжения, то есть появляются нелинейные искажения.

Для того чтобы не было всех этих неприятных явлений, минимальное напряжение, которое остается на аноде, даже в самом неблагоприятном случае должно составлять не меньше чем 10-30% постоянного анодного напряжения. Поэтому сопротивление нагрузки нужно выбирать с таким расчетом, чтобы амплитуда переменного напряжения на нагрузке не превышала бы 70-90% постоянного анодного напряжения.

Для каждого типа лампы имеется некоторая оптимальная (наивыгоднейшая) величина сопротивления анодной нагрузки, которая указывается в числе параметров лампы или определяется расчетным путем. Ориентировочно можно считать, что для триодов оптимальное сопротивление нагрузки должно быть в два-три раза больше, а для пентодов в два — десять раз меньше внутреннего сопротивления лампы R_i (лист 133).

Подбирая анодную нагрузку опытным путем, следует начинать с небольших сопротивлений и увеличивать R_н до тех пор, пока не прекратится рост выходного напряжения или пока не появятся искажения.

Иногда в качестве анодной нагрузки применяют дроссели (лист 131). В этом случае переменное напряжение U_н≈ на нагрузке определяется в основном индуктивным сопротивлением х_L дросселя. Сопротивление это легко сделать большим, применяя, например, стальной сердечник. В то же время дроссель обладает сравнительно небольшим сопротивлением для постоянного тока, и падение постоянного напряжения на нем невелико. Поэтому в усилительном каскаде с дросселем в качестве нагрузки почти все напряжение выпрямителя действует на аноде лампы. Этим же свойством отличается и усилительный каскад, в анодную цепь которого включен трансформатор или колебательный контур. Несмотря на указанное достоинство, дроссель редко применяется в качестве нагрузки в усилителе НЧ, так как он вносит сильные частотные искажения: сопротивление нагрузки х_L а следовательно, усиление каскада резко меняется с частотой.

В усилителях ВЧ анодной нагрузкой обычно служит колебательный контур, настроенный в резонанс с частотой усиливаемого сигнала (лист 131).

Важным элементом любого усилительного каскада является сопротивление утечки R_с, включенное в сеточную цепь лампы. Необходимость включения этого сопротивления объясняется тем, что часть вылетевших из катода электронов всегда попадает на управляющую сетку. Накапливаясь на сетке, электроны создают на ней большой отрицательный заряд, который может препятствовать движению электронов от катода к аноду, так как на сетке появляется «минус» и лампа оказывается запертой (рис. 91).

Для борьбы с этим явлением между сеткой и катодом и включают сопротивление R_с по которому электроны, попадающие па сетку, возвращаются обратно на катод (рис. 92). Величину сопротивления R_с выбирают довольно большую — от нескольких сот килоом до нескольких мегом. При меньших значениях это сопротивление будет заметно шунтировать источник усиливаемого сигнала (цепь детектора, колебательный контур и т. п.). При больших значениях R_с переход электронов с сетки на катод затруднится. В тех случаях, когда между сеткой и катодом включен какой-нибудь элемент цепи, пропускающий постоянный ток (угольный микрофон, обмотка трансформатора, контурная катушка и т. п.), необходимость в сопротивлении R_с отпадает (лист 134).

Рассматривая работу усилительного каскада, обратимся к так называемой динамической характеристике лампы. Динамическая характеристика отличается от рассмотренной нами раньше (рис. 65) тем, что в ней учитывается изменение напряжения на аноде лампы при подаче сигнала на ее сетку. Совмещая график изменения напряжения на сетке с динамической характеристикой, можно легко получить график, показывающий, как изменяется анодный ток с течением времени. Пример построения такого графика показан на рис. 93.

Чтобы не было искажений, связанных с появлением сеточного тока, на сетке не должно быть положительного напряжения. Добиться этого можно сравнительно просто: подав на сетку (относительно катода!) вместе с усиливаемым сигналом постоянное отрицательное напряжение — отрицательное смещение. В этом случае напряжение на сетке будет меняться так же, как и раньше, в такт с сигналом, однако оно всегда будет оставаться отрицательным.

Для каждого значения напряжения на сетке U_c по динамической характеристике находим соответствующее значение тока I_a и наносим его на график, показывающий зависимость I_a от времени t. Так, например, в момент «5 сек» U_c = -1,5 в. Как видно из динамической характеристики, при U_c = -1,5 в, анодный ток I_a = 3 ма. Отсюда следует, что на график тока для момента «5 сек» нужно нанести значение I_a = 3 ма. Проделав подобную операцию для всех значений U_c, мы получим график изменения тока I_a. Построение графиков, как это уже много раз было и раньше, помогает нам сравнительно легко описывать сложные процессы, происходящие в усилительном каскаде.

Для упрощения рисунка при построении графика анодного тока была допущена одна неточность: мы не учли, что при положительных напряжениях на сетке появляется сеточный ток и поэтому несколько уменьшает число электронов, идущих к аноду. В результате появления сеточного тока изменяется форма анодного тока (в некоторые моменты анодный ток оказывается меньше, чем должен быть, то есть появляются нелинейные искажения (рис. 94).

Чтобы не было искажений, связанных с появлением сеточного тока, на сетке не должно быть положительного напряжения. Добиться этого можно сравнительно просто: подав на сетку (относительно катода!) вместе с усиливаемым сигналом постоянное отрицательное напряжение — отрицательное смещение (рис. 95, 96). В этом случае напряжение на сетке будет меняться так же, как и раньше, в такт с сигналом, однако оно всегда будет оставаться отрицательным.

Величину отрицательного смещения нужно подбирать тщательно. При очень большом смещении лампа в некоторые моменты может оказаться запертой (это явление называется отсечкой), что, конечно, вызовет искажение формы анодного тока. Отрицательное смещение нужно выбирать с таким расчетом, чтобы ток покоя I_пок соответствовал середине прямолинейного участка ламповой характеристики. Этот участок с одной стороны ограничен положительным напряжением на сетке, а с другой стороны — нижним загибом характеристики (рис. 96, лист 135).

Существует несколько способов подачи отрицательного смещения на управляющую сетку. Один из них состоит в том, что в сеточную цепь лампы «минусом» к сетке включают специальную батарею смещения (лист 136). Если U_см должно быть меньше, чем напряжение батареи, можно применить обычный делитель напряжения.

При другом способе, получившем очень широкое распространение, используются падение напряжения на сопротивлении, _Rк (не путайте с сопротивлением потерь в контуре), специально включенном для этой цели в катодную цепь (лист 137). Проходя по сопротивлению катодный ток I_к (сумма постоянных составляющих анодного I_a= и экранного I_э= токов) создает на нем напряжение U_см. «Плюс» этого напряжения приложен к катоду лампы, а минус — к корпусу (или к общему проводу). С корпусом соединяется также и нижний (по схеме) конец сопротивления R_с, и, таким образом, напряжение на сопротивлении R_к фактически действует между сеткой и катодом. Необходимая величина отрицательного смещения устанавливается подбором сопротивления R_к — чем больше тем больше отрицательное смещение на сетке.

Для того чтобы на сопротивлении R_к не появилось переменного напряжения, это сопротивление шунтируют конденсатором С_к. Емкость конденсатора С_к подбирают с таким расчетом, чтобы даже на самой низкой из усиливаемых частот его емкостное сопротивление х_с было в десять — пятнадцать раз меньше чем R_к. Если же конденсатор С_к легко пропускает самые низкие частоты, то более высокие он пропустит еще легче.

Иногда для получения отрицательного смещения используют сопротивление утечки R_с (лист 138). Дело в том, что небольшой, порядка нескольких микроампер, сеточный ток существует всегда, даже при отрицательных напряжениях на сетке. Если выбрать достаточно большим (10-20 Мом), то на этом сопротивлении можно получить довольно большое, порядка нескольких вольт, напряжение, «минус» которого будет приложен к сетке.

В большинстве промышленных приемников для получения различных напряжений смещения используют сопротивление, включаемое в так называемую минусовую цепь выпрямителя (лист 139). Общий анодный ток всех ламп, проходя по этому сопротивлению, создает на нем определенное падение напряжения. Если заземлить катоды ламп, а также заземлить точку а, то в точке б будет отрицательное, относительно катода, напряжение, которое можно подавать на сетку лампы в качестве смещения. Включив между точками а и б несколько сопротивлений, то есть сделав делитель напряжения, можно получить разные по величине отрицательные напряжения для подачи на сетки различных ламп.

Рассматривая перечисленные способы получения смещения, нужно всегда помнить о направлении тока. Электроны в лампе двигаются от катода к сетке и аноду, а если ввести в баллон положительный заряд, то он будет двигаться от анода или от сетки к катоду. Мы уже знаем, что это направление принято считать направлением тока в лампе, так как вообще за направление электрического тока принято направление Движения положительных зарядов.

Между прочим, как бы мы ни рассматривали процессы в лампе, исходя из условного направления тока или фактического направления движения электронов, результат мы получим один и тот же. Взять, например, схему, изображенную на листе 138. Условное направление тока на этой схеме — от сетки к катоду внутри лампы, затем по внешней цепи от катода к нижнему концу сопротивления R_с (по шасси) снизу вверх через сопротивление R_с и с верхнего конца R_с обратно на сетку. При таком направлении тока на нижнем конце сопротивления будет «плюс», а на верхнем — «минус», так как ток (имеются в виду положительные заряды) течет от «плюса» к «минусу».

Теперь дав

Принципиальная схема

, работа и ее применение

Система с одним транзисторным усилителем не дает адекватной полосы пропускания в противном случае усиление, а также не будет включать точное согласование импеданса для входа в противном случае на выходе. Решить эту проблему можно, например, путем объединения нескольких каскадов усиления. Когда произведение коэффициента усиления на полосу пропускания стабильно, мы должны поменять полосу пропускания, предназначенную для высокого усиления, внутри одноступенчатого усилителя. Теория каскадного усилителя используется как для высокого усиления, так и для большой полосы пропускания.Этот усилитель — лучшее решение.

Что такое каскадный усилитель?

Каскадный усилитель — это двухпортовая сеть, разработанная с усилителями, которые подключены последовательно, когда каждый усилитель передает свой выходной сигнал на второй вход усилителя в гирляндной цепи. Проблема при измерении усиления каскадного каскада заключается в несовершенном соединении двух каскадов из-за нагрузки. Две ступени каскадного подключения CE (с общим эмиттером) показаны на следующей схеме. Здесь делитель напряжения может быть сформирован с использованием входных и выходных сопротивлений первого и следующего каскада.Полный выигрыш не может быть результатом отдельных этапов.

каскадный усилитель

Этот усилитель используется для увеличения мощности сигнала в ТВ-приемнике. В этом усилителе первичный каскад усилителя может быть подключен к вторичному каскаду усилителя. Для создания практичной электронной системы недостаточно одноступенчатого усилителя.

Несмотря на то, что коэффициент усиления усилителя в основном зависит от параметров устройства, а также компонентов схемы, существует более высокий предел усиления, который может быть достигнут с помощью однокаскадного усилителя.Следовательно, коэффициент усиления этого усилителя не может быть достаточным для практического применения.

Чтобы решить эту проблему, нам необходимы два или более каскада этого усилителя для усиления общего коэффициента усиления по напряжению. Поскольку выше один каскад используется в серии, он называется многокаскадным усилителем. Главный недостаток каскадного усилителя заключается в том, что при увеличении нескольких каскадов полоса пропускания уменьшается.

Схема каскадного усилителя

Принципиальная схема каскадного усилителя показана ниже.Схема может быть спроектирована с двумя конфигурациями транзистора, а именно CE (общий эмиттер) и CB (общая база). Конфигурация CB (общая база) обеспечивает хорошую работу на высоких частотах.

схема каскадного усилителя

Коэффициент усиления по току, а также i / p-сопротивление каскадной схемы эквивалентны соответствующему значению однокаскадного усилителя с общим эмиттером. Сопротивление o / p может быть эквивалентно общей базовой конфигурации. Конденсатор Миллера, шунтирующий входной каскад с общим эмиттером, чрезвычайно мал.

Приложения

Применения каскадного усилителя включают следующее.

• Этот усилитель используется в настроенных РЧ усилителях в телевизионных схемах.
• Этот усилитель можно также использовать как широкополосный усилитель.
• Изоляция, предлагаемая между входом и выходом с этими усилителями, чрезвычайно высока.

Итак, это все о анализе каскадных усилителей. Конфигурация этого усилителя в основном включает некоторые преимущества, такие как меньшее входное сопротивление, средний или высокий коэффициент усиления по току, напряжение, а также высокое сопротивление o / p.Главный недостаток каскадного усилителя заключается в том, что при увеличении нескольких каскадов полоса пропускания уменьшается. Вот вам вопрос, в чем основная функция каскадного усилителя?

Каскад с двумя усилителями

14 ноября 2018 Пост 446 Несколько раз я упоминал свою предпочтительную схему твердотельного усилителя мощности, состоящую из двух последовательно соединенных усилителей, каждый со своей собственной петлей отрицательной обратной связи.Эта схема находится в невыгодном положении по сравнению с обычным одиночным усилителем с одной петлей отрицательной обратной связи, поскольку одиночный усилитель безоговорочно выигрывает в битве THD. Так почему же я предпочитаю установку с двумя усилителями? Я слушаю свои усилители, играю музыку, часто в разы громче, чем они могут. Мы все делаем. Даже усилители мощностью 200 Вт работают постоянно. С другой стороны, я редко измеряю THD своего усилителя. Вы? Другими словами, слушание — это не проверка; воспроизведение музыки не является измерением общих гармонических искажений.Все мы слышали несимметричные усилители мощности без отрицательной обратной связи, которые выдают всего несколько ватт, но при этом проходят через огромные твердотельные усилители мощности, которые измеряют в сто раз лучше. Что ж, я убежден, что каскад с двумя усилителями на практике работает лучше. Более того, с двумя каскадными усилителями каждый может быть оптимизирован для выполнения поставленной задачи. Входной усилитель никогда не видит нагрузку от 4 до 16 Ом или длинные отрезки кабеля громкоговорителя; вместо этого он видит фиксированный импеданс нагрузки, вероятно, в десятки тысяч Ом.Выходной усилитель больше не должен обеспечивать полное усиление сигнала, и его можно оптимизировать для подачи большого напряжения и большого тока. Фактически, мы могли бы обойтись только двумя каскадами в выходном усилителе, а не тремя типичными каскадами (входной, VAS и выходной каскад). Как мы должны распределить коэффициент усиления между усилителями — это интересный вопрос. Если мы хотим, чтобы каждый усилитель имел одинаковое усиление, оба усилителя должны обеспечивать только усиление, равное квадратному корню из общего желаемого усиления.Например, если нам нужен конечный коэффициент усиления 25, каждый усилитель должен выдавать коэффициент усиления 5. Конечно, мы можем изменить соотношение, скажем, коэффициент усиления 10 для входного усилителя и коэффициент усиления 2,5 для второго усилителя. Черт возьми, мы могли бы получить коэффициент усиления 25 от входного усилителя и единичный коэффициент усиления от выходного усилителя. Однако с этим последним расположением оба усилителя должны по крайней мере работать с одинаковым напряжением шины питания; хотя можно было бы сделать случай, чтобы входной усилитель работал на более высоких напряжениях на шине, если бы выходной усилитель содержал, например, полевые МОП-транзисторы расширенного режима в выходном каскаде.С другой стороны, если входной усилитель обеспечивает коэффициент усиления 5, этот усилитель может работать с гораздо более низкими напряжениями шины питания, так как на его выходе потребуются только колебания напряжения +/- 5Vpk, скажем, напряжение биполярной шины только + / -8В постоянного тока. Кроме того, более низкие напряжения на шинах питания для входного усилителя позволяют нам использовать регуляторы напряжения, которые работают от шин питания с более высокими значениями, которые питают выходной усилитель. Я должен привести доводы в пользу более высокого напряжения шины для входного усилителя, так как я никогда не хочу, чтобы входной усилитель зажимался.Например, если входной усилитель предлагает коэффициент усиления 5, я бы использовал напряжение шины питания +/- 20 В постоянного тока, несмотря на крошечные колебания выходного напряжения +/- 5 В пик. Когда я сказал, что никогда не будет клипов, я имел в виду это. Я полностью ожидаю, что выходной усилитель перестанет работать, что вызовет проблемы только в этом выходном усилителе. Напротив, когда типичный твердотельный одиночный усилитель мощности сжимается, проблемы возникают во всем усилителе, а не только в выходном каскаде. Когда выходной усилитель оправится от ограничения, он все равно будет видеть большой чистый входной сигнал. Одно скрытое преимущество двух усилителей мощности в каскадном расположении состоит в том, что оба усилителя могут быть инвертирующими, что не приводит к инверсии фазы в громкоговорителе, поскольку две инверсии компенсируются. Имейте в виду, что инверсия фазы не является непреодолимой проблемой, так как нам нужно только перевернуть соединения на клеммах громкоговорителей. Но создать один мощный инвертирующий усилитель сложно, поскольку высокая мощность подразумевает высокое усиление, а высокое усиление подразумевает большое соотношение между значениями резисторов отрицательной обратной связи, что, в свою очередь, подразумевает более низкий входной резистор и более высокий резистор обратной связи, чем нам бы хотелось.Например, предположим, что нам нужно входное сопротивление 100 кОм. Что ж, тогда резистор отрицательной обратной связи должен быть 2,5 МОм, чтобы получить коэффициент усиления 25. (Между прочим, 25 В пик на 8 Ом равны 39 Вт; 200 Вт, с другой стороны, требует размаха пикового напряжения 56,6 В пик). Проблема в том, что 2,5 МОм безумно большой, настолько большой, что любая паразитная емкость убьет высокочастотный отклик. Кроме того, многие твердотельные усилители мощности становятся короткозамкнутыми с сопротивлением отрицательной обратной связи выше 30 кОм.Но с двумя инвертирующими усилителями в каскаде коэффициент сопротивления резистора обратной связи резко падает. Например, с коэффициентом усиления 5 каждый входной усилитель может использовать значение входного резистора 100 кОм и значение резистора отрицательной обратной связи 499 кОм, тогда как второй усилитель мощности может использовать значения 1 кОм и 4,99 кОм. (Это становится более важной функцией, если в выходном усилителе используется топология с обратной связью по току.) Обратите внимание на одиночный конденсатор связи, который является пленочным или PIO-типа, а не электролитическим.Даже если входной усилитель показывает большое смещение постоянного тока, либо из-за входного сигнала, содержащего компонент постоянного напряжения, либо из-за самого усилителя, вызывающего смещение постоянного тока, конденсатор связи блокирует постоянное напряжение. Выходной усилитель использует все свое значительное усиление разомкнутого контура на низких частотах, чтобы устранить смещение постоянного тока на его выходе, поскольку конденсатор связи предотвращает любое разделение напряжения на два резистора. Кстати, мы можем обойтись одним конденсатором связи с каскадом от неинвертирующего до инвертирующего. Обратите внимание, что оба усилителя обеспечивают коэффициент усиления 5. Также обратите внимание на необходимость перевернуть фазу кабеля громкоговорителя, поскольку сигнал операционного усилителя инвертирует фазу входного сигнала. Другое возможное, но секретное преимущество каскада с двумя усилителями состоит в том, что мы можем выключить усилитель OpAmp и использовать входной усилитель в качестве усилителя для наушников, поскольку коэффициент усиления 5, вероятно, идеален для этого применения. Если необходимо управлять наушниками с сопротивлением 16 Ом, входной усилитель может управлять буферным каскадом с единичным усилением.Возможно, я один в этом, но двойное использование кажется забавной функцией. Конечно, вы не собираетесь одновременно слушать и наушники, и громкоговорители. (Раньше я включал свои сабвуферы во время прослушивания в наушниках. Сабвуфер имел низкую частоту 80 Гц, что не позволяло моим соседям локализовать источник стуков. Мой беговой кляп был в том, чтобы позволить друзьям послушать наушники и сабвуферы, но не сказать их о сабвуферах.Как только я обнаруживал движение по снятию наушников, я отключал звук.Слушатель неизменно восклицал: «Черт, это лучший бас, который я когда-либо слышал в наушниках; он заставлял меня дрожать всем телом».) До сих пор я имел в виду только твердотельные усилители мощности. Но что, если бы мы применили эту настройку к двум ламповым усилителям. Еще раз, все преимущества применимы. Фактически, мы могли бы сделать больше с лампами, поскольку они легче поддаются работе без обратной связи. Могут быть реализованы как односторонние, так и двухтактные, а также некоторое их сочетание.Например, несимметричный входной усилитель, управляющий несимметричным выходным усилителем или двухтактным выходным усилителем. Я даже могу представить себе двухтактный входной усилитель, управляющий несимметричным выходным усилителем. В простейшем случае SRPP управляет несимметричным выходным каскадом. Инвертирующая отрицательная обратная связь выходного усилителя приводит к входному сопротивлению, примерно равному значению резистора 1,6 кОм, что достаточно мало, чтобы гарантировать, что схема SRPP используется в качестве входного усилителя.Номиналы 6DJ8 и катодного резистора были выбраны для обеспечения сбалансированной двухтактной работы при таком низком входном импедансе. Кстати, в отсутствие SPICE мы можем прибегнуть к математике и ручному калькулятору. Формула оптимального номинала резистора для верхнего катодного резистора (Rak) составляет . Rak = (rp + 2Rload) / mu Если мы решим для Rload, импеданса нагрузки, мы получим: Rload = (muRak — rp) / 2 Где mu — коэффициент усиления триода; rp — сопротивление пластины триода; и Rload — полное сопротивление нагрузки. Теперь второй усилитель содержит несимметричный выходной каскад, который воплощает некоторую форму айкидо, поскольку два конденсатора, прикрепленные к катоду, создают достаточно шума источника питания, чтобы создать нулевой шум источника питания на первичной обмотке выходного трансформатора, что в свою очередь, приводит к усилению PSRR на громкоговорителе. Входной каскад с одним триодом представляет собой простой усилитель с заземленным катодом и байпасным катодным резистором. Два резистора 1,6 кОм образуют инвертирующую цепь отрицательной обратной связи, которая приводит к выходу с почти единичным усилением.При импедансе нагрузки 1,6 кОм ступень SRPP на базе 6DJ8 реализует усиление 8, поэтому общее усиление составит почти 8. Пиковое колебание напряжения 8 В на 8-омной нагрузке равно 4 Вт мощности. Почему так мало энергии? Лампа с одиночным триодным выходом. Если мы будем использовать более мощный выходной триод или несколько параллельно, или мощный пентод, мы можем легко получить удвоение пикового размаха напряжения и в четыре раза большую выходную мощность (16 Вт). В этом случае мы бы заменили 1,6k, которые прикрепляются к выходу, на 3.Резистор отрицательной обратной связи 2 кОм. Другой усилитель с таким же низким входным сопротивлением — это несимметричный усилитель мощности Zen. Из-за высокой входной емкости силового полевого МОП-транзистора необходимо использовать низкоомные резисторы с отрицательной обратной связью, если мы хотим сохранить полосу пропускания высоких частот. С другой стороны, если мы используем несимметричный входной усилитель, а не двухтактный SRPP, мы получим гораздо более высокий коэффициент усиления.Например, каскад для айкидо на базе 6DJ8 обеспечит усиление 16. Поскольку этот первый усилитель дает нам все необходимое усиление, мы можем использовать следующий второй усилитель с высоким входным импедансом. Обратите внимание, что катодный резистор входного триода подключается к выходу усилителя. Другими словами, вторичная обмотка выходного трансформатора обеспечивает ток на землю для входного триода. Я знаю, что это выглядит немного запутанным, но эта установка не сильно отличается от типичной, как показано ниже. Резистор отрицательной обратной связи Rfb образует двухрезисторный делитель напряжения с катодным резистором и ограничивает величину выходного сигнала, подаваемого на катод входного триода, что приводит к более высокому коэффициенту усиления. Но с единственным катодным резистором, подключающимся к выходу, 100% выходного сигнала возвращается на входной триод, что приводит к единичному усилению на выходе. Другими словами, мы используем все возможные отрицательные отзывы. Кстати, выходной каскад айкидо можно было бы заменить выходным каскадом пентода. Пентод, в отличие от триода, обладает действительно высоким импедансом пластины, поэтому в несимметричном выходном каскаде он демонстрирует естественно хороший PSRR, но намного худший выходной импеданс и более высокие искажения, оба из которых отрицательная обратная связь будет работать, чтобы нейтрализовать. Поскольку большинство малосигнальных аудиотриодов поставляются с двумя лампами, например, 6AQ8, 6BL7, 6DJ8, 6SL7, 6SN7, 12AT7, 12AU7, 12AX7, 12BH7 и ECC99, усилитель с катодной связью хорошо подходит.Кроме того, эта топология предлагает некоторые приятные особенности, такие как низкая входная емкость, отсутствие инверсии фазы и простота применения отрицательной обратной связи. Его недостатки также многочисленны, так как различное напряжение между катодом и пластиной между триодами приводит к необходимости разных напряжений сетки; и схема лучше всего работает с нагрузкой источника постоянного тока связанных катодов. Но поскольку все предыдущие конструкции несимметричных усилителей использовали источник постоянного тока для автоматического смещения выходной лампы, мы можем добавить второй источник постоянного тока и добиться звездного улучшения PSRR. Не используется петля отрицательной обратной связи; вместо этого мы просто полагаемся на изначально низкие искажения и выходное сопротивление триода. Заземление находится там, где падает катодное напряжение выходной лампы. Другими словами, источник питания плавающий, так как он не подключается напрямую к земле. Это означает, что каждый канал должен иметь собственный независимый источник питания с плавающей запятой. Это также означает, что напряжение B + фактически становится центром вселенной этого усилителя; Другими словами, усилитель относится к категории B +.Это объясняет, почему шунтирующий конденсатор выходной лампы подключается к напряжению B + и почему резистор левой пластины (Ra) шунтируется на напряжение B +, а не на землю; он также показывает, зачем нужен конденсатор емкостью 100 мкФ, поскольку он защищает катодно-связанный усилитель и выходную лампу от всего шума, который находится ниже двух источников постоянного тока. Думайте об этом как об Ультра-Пути мыслящего человека. Если мы хотим добавить цикл отрицательной обратной связи, мы можем. Мы можем использовать вторую сетку усилителя с катодной связью, но нам придется перевернуть вторичную обмотку выходного трансформатора, поскольку нам нужна инверсия фазы.Если нам не удастся выполнить правильную фазировку, мы получим положительную обратную связь и дикие колебания. В качестве альтернативы мы можем применить отрицательную обратную связь на левой пластине усилителя с катодной связью. Большая проблема с отрицательной обратной связью и выходными каскадами с трансформаторной связью заключается в том, что трансформатор представляет собой электрически беспорядочное устройство. Это очень сложное устройство, заполненное первичным и вторичным DCR, индуктивностью рассеяния, множественными емкостями и нелинейным материалом сердечника.Удивительно то, что так много ламповых усилителей с трансформаторной связью действительно хорошо звучат. Итак, если мы сможем сохранить контур отрицательной обратной связи на первичной стороне выходного трансформатора, наши шансы на то, что это будет легче, возрастут. Во всех предыдущих примерах конструкции мы использовали только несимметричные выходные каскады в каскаде выходного усилителя. Мы могли бы использовать двухтактный выходной каскад, заменив усилитель с катодной связью дифференциальным усилителем с длинным хвостовиком, так как дифференциальный усилитель будет принимать несимметричный входной сигнал и работать как фазоделитель. В конфигурации это простой двухтактный усилитель мощности с обратной связью. Обычно одного 6SN7 было бы недостаточно для управления двухтактным выходным каскадом, поскольку можно было реализовать слишком малое усиление. Но в каскаде с двумя усилителями входной усилитель значительно избавляет второй усилитель от необходимости обеспечивать большое усиление. Например, входной сигнал 1Vpk поступит на входной усилитель и выйдет как 20Vpk, что при подаче на нагрузку 8 Ом даст мощность 25 Вт.Другими словами, выходному усилителю может вообще не потребоваться усиление. В этом случае мы можем построить буфер мощности с единичным усилением для выходного усилителя. В качестве входного усилителя используется каскад усиления айкидо, за которым следует буфер мощности. Если требуется большее усиление, мы можем заменить 12AY7 / 6072 на 12SL7 или 12AT7 / ECC81 или 5751. Если требуется меньшее усиление, что вполне вероятно, мы можем использовать 6N1P, 6DJ8 или 12AU7. Сложности возникают там, где достигается действительно высокая выходная мощность, скажем 56.6Vpk (200 Вт на 8 Ом). При таких высоких колебаниях выходного сигнала дифференциальный входной каскад достигнет нижнего предела, столкнувшись с отрицательным напряжением шины питания. Единственные два обходных пути, которые я могу придумать, — это либо использовать большее отрицательное напряжение шины питания, скажем -60 В, либо позволить выходному усилителю развить некоторое усиление, скажем от 3 до 8, и использовать более низкий входной триод mu в Этап развития айкидо. Мы могли бы использовать в выходном каскаде силовые пентоды вместо триодов. Обратите внимание, как отрицательная обратная связь берется на первичной стороне выходного трансформатора, а не на вторичной.Также обратите внимание на то, что истинным эталоном сигнала этого усилителя является соединение B + и как используется плавающий источник питания. Возвращаясь к триодному выходному каскаду, вот и весь усилитель. Нажмите на схему, чтобы увидеть увеличение Второй усилитель работает как буфер мощности с единичным усилением, поэтому первый усилитель должен обеспечивать все усиление. Добрый читатель прислал ссылку на кладезь электронных PDF-файлов.Поистине потрясающая коллекция. Мне неловко, что я не могу назвать читателя, чтобы поблагодарить его, но моя программа электронной почты (Thunderbird) была перегружена всей моей входящей электронной почтой и недавно испортила содержимое этого почтового ящика. Поскольку вы знаете, кто вы, спасибо. Как ни странно, хотя моя собственная музыкальная коллекция должна состоять из классической музыки, я дал здесь несколько классических рекомендаций.Чем можно объяснить это несоответствие? Возможно, большинство классических альбомов вполне хороши. Любой, кто может исполнить фортепианное сочинение Листа Mephisto Waltz , должен обладать кричащим талантом. Мы можем придраться к тонкостям, но редко ссоримся с проявленными музыкальными способностями. Напротив, большинство блюза, кантри, фолка, джаза, нью-эйдж, поп, панк, рэп, рок, соул … несколько менее чем хороши — и то же самое относится к новейшим классическим композициям. Большая часть новой музыки, независимо от ее музыкального жанра, воняет.Огромным преимуществом классической музыки является то, что она существует уже так долго, что имеет смысл только то, что так много хорошей музыки остается в классическом жанре. В прошлый раз я рекомендовал альбом Флориана Вебера, , Lucent Waters . В поисках других альбомов Вебера на Tidal я заметил, что он сотрудничал с Маркусом Штокхаузеном для создания альбома Alba . Маркус Штокхаузен — немецкий трубач и композитор; кроме того, он сын композитора Карлхайнца Штокхаузена.Маркус определенно гораздо менее известен, чем следовало бы, поскольку он великий джазовый исполнитель. Один из его альбомов, который мне действительно нравится, — это Far into the Stars . Кроме того, запись отличная, и альбом очень хорошо демонстрирует вашу стереосистему. Оба альбома доступны на Tidal. // JRB Просто щелкните любое из изображений выше, чтобы загрузить руководство пользователя в формате PDF.Кстати, все ссылки на руководства пользователя по печатным платам, показанные справа, сейчас работают. Для тех из вас, у кого все еще есть старые компьютеры под управлением Windows XP (32-разрядная версия) или любой другой 32-разрядной ОС Windows, я установил возможность загрузки моих старых старых стандартов: Tube CAD, SE Amp CAD и Audio Gadgets. Загрузки можно найти в магазине GlassWare-Yahoo, а цена каждой программы составляет всего 9,95 доллара США. http: // посуда.store.yahoo.net/adsoffromgla.html Так много просили, что я должен был это сделать. ВНИМАНИЕ: ЭТИ ТРИ ПРОГРАММЫ НЕ БУДУТ РАБОТАТЬ ПОД VISTA 64-Bit или WINDOWS 7 & 8 или любой другой 64-битной ОС. Я действительно планирую переделать все эти программы в 64-битные версии, но это будет огромным испытанием, так как программирование требует огромных кусков свободного от шума времени, что очень редко бывает с детьми. В идеале я хотел бы выпустить версии, которые работают на iPad и планшетах с ОС Android. // JRB

Всем моим покровителям, всем 71, еще раз спасибо всем. Особо хочу поблагодарить Concordio Anacleto Эндрю Ринтул Джейсон Стоддард Кельвин Тайлер Я действительно ошеломлен и признателен за их поддержку. Дополнительно хочу поблагодарить Джон Этвуд Хэл Кларк Эдуардо Файад Майк Галуша Эрик Хоэл Нил Ковач Джо Муни Пол Рид Марти Рейсс Пауло Марио душ Сантуш Диас де Мораес Джеймс Тиманн Вся ваша поддержка имеет большое значение.Я хотел бы прийти к тому моменту, когда создание моих постов стало для меня главным приоритетом дня, а не чем-то, что мне нужно было украсть у других обязательств. Чем больше я получаю поддержки, тем выше поднимаются эти посты, заслуживающие внимания. Только те, кто подготовил технический документ или написал статью по электронике, знают, сколько времени и усилий требуется для создания одного из моих постов, поскольку должны быть созданы новые схемы, должны выполняться симуляции SPICE, должны быть нарисованы схемы, и нужно написать тысячи слов. Если вы читали мои посты, то знаете, что моя жизненная цель — достичь 1000 постов. У меня есть еще 554 штуки. Моя вторая цель — собрать 1000 постоянных посетителей. У меня есть 929 постоянных посетителей. Помогите мне добраться туда. Всего $ 12.95 для отслеживания вашего Коллекция трубок и деталей TCJ My-Stock DB TCJ My-Stock DB поможет вам узнать, что у вас есть, как это выглядит, где находится, для чего будет использоваться и сколько стоит.TCJ My-Stock DB поможет вам отслеживать кучу электронных деталей. Подробнее. Перечислите все ваши детали в одной БД. Добавить часть изображений. Поиск информации о деталях в Интернете одним щелчком мыши. Вертикальные и горизонтальные сетки. * Создавайте отчеты в формате PDF. * Добавлены графики 2D / 3D: круговая диаграмма и столбец. * Более мощный поиск по БД. Добавлена ​​справочная система. Редактируемые раскрывающиеся списки для местоположения, проектов, брендов, стилей, поставщиков и т. Д. * Определяется пользователем Для получения дополнительной информации посетите:

Cascode — Каскод — qaz.wiki

De cascode — это все, что написано в твиттере, лучше всего подходит для эмиттера, основанного на базовой стадии.

In vergelijking met een enkele versterkertrap kan deze combinatie een of meer van de volgende kenmerken hebben: hogere input-outputisolatie, hogere inputimpedantie, hoge outputimpedantie, hogere bandbreedte.

В современных схемах есть каскод, который используется для различных транзисторов (BJT или FET), один из эмиттеров из электрических цепей и других элементов на основе геометрических схем. De cascode verbetert de isolatie tussen ingang en uitgang (vermindert de omgekeerde transmissie), aangezien er geen directe koppeling — это van de uitgang naar de ingang. Dit elimineert het Miller-effect en draagt ​​zo bij aan een veel hogere bandbreedte.

Geschiedenis

Het gebruik van een cascode (soms verwoord in cascodering ) является een veelgebruikte techniek om de prestaties van analoge schakelingen te verbeteren, die zowel op vacuümbuizen als transistors kan worden toegepast. De naam «cascode» werd bedacht in een artikel geschreven door Фредерик Винтон Хант и Роджер Уэйн Хикман в 1939 году, обсуждают вопрос об удалении фургона spanningsstabilisatoren. Ze stelden een cascode van twee triodes voor (de eerste met een gemeenschappelijke kathode- opstelling, de tweede met een gemeenschappelijk raster), также как vervanging voor een pentode, en daarom kan worden aangen triomen afkort is van de naam een усилитель встретил kenmerken die lijken op, maar minder luidruchtig zijn dan, een enkele pent) ode «.

Операция

Рисунок 1: N- kanaal klasse-A cascode versterker

Рисунок 1 toont een voorbeeld van een cascode-versterker met een common-source-versterker, as de ingangstrap die wordt aangestuurd door een signaalbron, V _in . Deze ingangstrap stuurt een common-gateversterker aan als de eindtrap, met uitgangssignaal V _uit .

Terwijl de onderste FET geleidt, door een poortspanning te leveren, geleidt de bovenste FET vanwege het Potentiaalverschil dat nu optreedt tussen de poort en de bron.

Het grote voordeel van deze schakeling komt voort uit de plaatsing van de bovenste veldeffecttransistor (FET), as de belasting van de ingangsklem (onderste) FET (сток). Omdat bij werkfrequenties de poort van de bovenste FET Effectief является geaard, wordt de bronspanning van de bovenste FET (en dus de afvoer van de ingangtransistor), tijdens bedrijf op een bijna constante spanning gehouden. Met andere woorden, de bovenste FET vertoont een lage ingangsweerstand ten opzichte van de onderste FET, waardoor de spanningversterking van de onderste FET erg klein is, wat de Miller- effectterugkoppelingscapaciteit van de afvoer van de onderste drama.Это относится к общепринятому стандарту FET. Более мощный транзистор может быть использован для того, чтобы его полевые транзисторы встретили минимальную обратную связь (Miller), а также исправленные слова.

De bovenste FET-poort is elektrisch geaard, dus opladen en ontladen van de strooicapaciteit, C _dg , tussen afvoer en poort gaat eenvoudig via R _D 90gs392 en de uitgane ), en de frequencyrespons wordt alleen beïnvloed for Frequency boven de bijbehorende RC-tijdconstante τ = C _dg R _D // R _out , name _out , name πτ ), een vrij hoge frequency omdat C _dg klein is.Dat wil zeggen, de bovenste FET-poort lijdt niet aan Miller-versterking van C _dg .

Als de bovenste FET-trap alleen zou worden gebruikt met behulp van de bron als ingangsknooppunt (dat wil zeggen, common-gate (CG) -configuratie), zou deze een goede spanningsverstersterking en een brede bandbreedte hebben. Zijn lage ingangsimpedantie zou zijn bruikbaarheid echter beperken tot spanningsdrivers met zeer lage impedantie. Het toevoegen van de lagere FET resulteert in een hoge ingangsimpedantie, waardoor de cascode-trap kan word aangestuurd door een bron met hoge impedantie.

Als men de bovenste FET zou vervangen door een typische inductieve / resistieve belasting en de uitvoer van de afvoer van de ingangtransistor zou nemen (dat wil zeggen een common-source (CS) -configuratie), zou de CS-configuratie dezimelfdengen de cascode, maar de cascode-configuratie zou een Potentieel grotere winst en een veel grotere bandbreedte bieden.

Stabiliteit

Де-каскодирование — это ook erg stabiel. Выход Zijn является эффективным geïsoleerd van de input, zowel elektrisch als fysiek.De onderste transistor heeft een bijna constante, охватывающий bij zowel de afvoer als de bron, en dus is er in wezen «niets» om terug te voeren naar zijn poort. De Bovenste Transistor heeft een bijna constante, охватывающий ан-де-порт и бронзу. De enige knooppunten met een aanzienlijke spanning zijn dus de ingang en de uitgang, en deze word gescheiden door de centrale verbinding met een bijna constante spanning en door de fysieke afstand van twee transistoren. In de praktijk is er dus weinig terugkoppeling van de output naar de input.Металлическое покрытие является более эффективным, чем гемакклейные транзисторы, для которых характерна большая изоляция. Dit zou moeilijk zijn in versterkerschakelingen met één transistor, die bij hoge frequency нейтрализация zouden vereisen.

Vooringenomen

Zoals getoond, legt het cascode-circuit dat twee ‘gestapelde’ FET’s gebruikt enkele beperkingen op aan de twee FET’s — namelijk de bovenste FET moet worden voorgespannen zodat de bronspanning hoog genoeg is (de lageard zodat) верзадигд раакт).Het garanderen van deze voorwaarde voor FET vereist een zorgvuldige selectie voor het par of speciale voorspanning van de bovenste FET-poort, waardoor de kosten toenemen.

Каскодная схема может использоваться с большими транзисторами ван биполера, полевыми МОП-транзисторами, полевыми транзисторами (полевыми транзисторами) и полевыми транзисторами (полевыми транзисторами) и транзисторами BJT. In het laatste geval moet de BJT de bovenste transistor zijn, anders zal de (onderste) BJT altijd verzadigd raken, tenzij er buitengewone maatregelen word genomen om deze te vertekenen.Deze schakeling был heel gebruikelijk bij VHF- televisietuners die vacuümbuizen gebruikten.

Voordelen

De cascode-opstelling biedt een hoge versterking, hoge bandbreedte, hoge zwenksnelheid, hoge stableiteit en hoge ingangsimpedantie. Het aantal onderdelen is erg laag voor een circuit met twee transistoren

Наделен

De Cascode-schakeling vereist twee transistoren en vereist een relatief hoge voedingsspanning. Для каскода полевых транзисторов можно использовать транзисторы, которые используются в качестве альтернативы V _DS , в том числе и в других случаях.

Версия с двумя воротами

МОП-транзистор с двойным затвором функционирует так же, как и каскод типа «эн-транзистор». Gemeenschappelijk in de voorkant van gevoelige VHF- ontvangers, wordt een dual-gate MOSFET bediend als een common-source versterker met de primaire poort (gewoonlijk aangeduid als ‘poort 1’ door MOSFET-fabrikanten, de enbondenen омзейлд). Стажер — это канал, что слово афгедект дверь де тви анангрензенде бедняк; daarom является результатом schakeling elektrisch een cascode die is samengesteld uit twee FET’s, waarbij de gemeenschappelijke verbinding van beneden naar boven naar boven slechts dat deel van het enkele kanaal is dat плохой fysiek grenst aan de grens tus.

Смеситель в супергетеродинном исполнении

Каскодная схема — это универсальная электрическая схема в супергетеродинных условиях. Bij de onderste poort wordt het RF-signal naar de Mixer gevoerd en bij de bovenste poort wordt het locale осциллятор, сигнальный сигнал на смесителе gevoerd. Beide signalen word vermenigvuldigd door de mixer, en de verschilfrequentie, de middenfrequentie, wordt uit de bovenste afvoer van de cascode mixer gehaald.

Dit Werd Verder ontwikkeld Door Hele Difference Versterkertrappen te cascoderen om de gebalanceerde mixer te vormen, en vervolgens de Gilbert cell dubbelgebalanceerde смеситель.

Андерные приложения

Met de opkomst van geïntegreerde schakelingen zijn transistors goedkoop geworden in termen van silicium die-gebied. В технологии MOSFET bijzonder можно использовать каскадирование слов, связанных с производственными процессами.

Een aangepaste versie van de cascode kan ook als modulator worden gebruikt, встреченный названием для амплитудной модуляции. Het bovenste apparaat levert het audiosignaal en het onderste is het RF-versterkerapparaat.

Een cascode kan ook word gecombineerd met een spanningsladder om een ​​hoogspanningtransistor te vormen. De ingangstransistor kan van elk _CEO- type met lage U zijn , terwijl de andere, die werken als gestapelde lineaire seriespanningsregelaars, een aanzienlijk deel van de voedingsspanning moeten kunnen weerstaan. Merk op dat voor een grote schommeling van de uitgangsspanning, hun basisspanningen niet door contestn naar aarde mogen worden omgeleid, en dat de bovenste ladderweerstand de volledige voedingsspanning moet kunnen weerstaan.Dit toont aan dat een lineaire seriespanningsregelaar eigenlijk een stroombuffer is waarvan de invoer- en uitvoeraanduidingen zijn verwisseld.

Параметры соответствуют twee soft

Конфигурация каскадного кода, который используется для изменения параметров, также как и другие значения параметра (of beter gezegd, als G -parameter twee-poorts netwerk), имеет большое значение, позволяющее облегчить усиление напряжения.Deze parameters zijn gerelateerd aan de correderende g -parameters hieronder. Andere nuttige eigenschappen hier buiten beschouwing gelaten zijn circuit bandbreedte en Dynamisch bereik.

BJT-каскад: параметры для часто используемых сигналов

Рис. 2: BJT Cascode с превосходной идеальной структурой для постоянного тока смещения и с защитой от переменного тока; конденсатор zijn kortsluitingen voor wisselstroom

Het geïdealiseerde эквивалентная схема с een klein signalaal kan word geconstrueerd для het circuit на рисунке 2 door de stroombronnen te vervangen door open circuit en de concatoren door kortsluitingen, ervan uitgaande dat ze groot genoengorts bijn te als.Куннен от De BJT в het zwakke signalcircuit wordden weergegeven door het hybride-π-model.

MOSFET-каскод: laagfrequente kleine signalparameters

Рис. 3: MOSFET-каскод, выполненный по принципу «идеальный охват», для динамического расширения постоянного тока и «каскадный сигнал постоянного тока», также как и активный звук. Aangezien elke MOSFET-transistor poort en bron heeft aangesloten, представляет собой конфигурацию всех желаемых компонентов для дискретных компонентов с отсутствием связи.

Evenzo kunnen de parameters for het kleine signal worden afgeleid for de MOSFET-versie, waarbij ook de MOSFET wordt vervangen door zijn hybride-π-modelequivalent.Здесь вы можете найти новую версию MOSFET, указав, что MOSFET-Poortstroom отсутствует, поэтому вы можете использовать сигнальную модель для BJT, используя MOSFET в базовой комнате:

ikB. → 0⇒rπ = V.TikB. → ∞, {\ displaystyle I_ {B} \ to 0 \ Rightarrow r _ {\ pi} = {\ frac {V_ {T}} {I_ {B}} } \ to \ infty,}

waarbij V _T является термическим охватом.

De combinatie van factoren g _m r _O komt vaak voor in bovenstaande formules, wat uitnodigt tot nader onderzoek.Биполярный транзистор — это продукт (гибридная пи-модель):

gmrO = ikCV.TV.EEN + V.CE.ikC = V.EEN + V.CE.VT {\ displaystyle g_ {m} r_ {O} = {\ frac {I_ {C}} {V_ {T }}} {\ frac {V_ {A} + V_ {CE}} {I_ {C}}} = {\ frac {V_ {A} + V_ {CE}} {V_ {T}}}.}

Типичное дискретное двухполюсное устройство, охватывающее В, _A ≈ 100 В, тепловое напряжение, охватывающее двухкамерную камеру В _T ≈ 25 мВ, защитное покрытие g _m 9040 vrij groot aantal есть.Используем эту конструкцию над гибридной пи-моделью, которую мы используем для MOSFET в действующем режиме:

gmrO = 2ikDV.GS-V.th2 / λ + V.DSikD = 2 (1 / λ + V.DS) V.GS-V.th. {\ Displaystyle g_ {m} r_ {O} = {\ frac {2I_ {D}} {V_ {GS} -V_ {th}}} {\ frac {1 / \ lambda + V_ {DS}} {I_ {D}}} = {\ frac {2 (1 / \ лямбда + V_ {DS})} {V_ {GS} -V_ {th}}}.}

Фургон с технологической технологией, 65 нм, I _D ≈ 1,2 мА / мк, порождение В _DD = 1,1 В; V _th ≈ 165 мВ en V _ov = V _GS -V _th ≈ 5% V _DD ≈ 55 мВ.Met een typische lengte van tweemaal het минимум, L = 2 L _min = 0,130 мкм En een typische waarde van λ ≈ 1 / (4 В / мкм L ), vinden we 1 / λ ≈ 2 В , en g _m r _O ≈ 110, nog steeds een grote waarde. Het punt is dat, omdat g _m r _O groot is, vrijwel ongeacht de technologie, de getabelleerde versterking en de uitgangsweerstand foror zowel de MOSFET als de bipolaire cascode erg groot zijn.Dat feit heeft gevolgen voor de Discusie die volgt.

Laagfrequent ontwerp

Afb.4 Бовен: BJT-каскод с обычным сигналом и гибридной пи-моделью Ондер: эквивалентная схема для BJT-каскода с параметрами van de versterker

De g-parameters die in de bovenstaande formules worden gevonden, kunnen worden gebruikt om een ​​spanningsversterker met een klein signaal te construeren met dezelfde versterking, ingangs- en uitgangsweerstand als de originele cascode (эквивалентная схема een).Deze schakeling — это все, что связано с уменьшением частот биж в первом случае, когда речь идет о паразитарных возможностях транзистора, но не в ногу. De afbeelding toont de originele cascode (afb. 1) en de Equivalent spanningsversterker of g-эквивалентные twee-poorts (afb. 4). Het Equivalente circuit maakt eenvoudigere berekeningen van het gedrag van het circuit voor verschillende stuurprogramma’s en belastingen mogelijk. На фигуре Thévenin, эквивалентный Spanningsbron, соответствует Thévenin weerstand R _S Исследован drijft de versterker en aan de uitgang een eenvoudige belastingsweerstand R _L .Met behulp van het эквивалентная схема — это de ingangsspanning naar de versterker (zie Spanningsdeler):

υikn = υsRiknRS + Rikn {\ displaystyle {\ upsilon} _ {in} = {\ upsilon} _ {s} {\ begin {matrix} {\ frac {R_ {in}} {R_ {S} + R_ {in} }} \ end {Matrix}}},

Wat het belang aantoont van het gebruik van een driver met weerstand R _S << R _in om verzwakking van het signaal dat de versterker teorkomenkomt .Uit de bovenstaande versterkerkarakteristieken zien we dat R _in oneindig is for de MOSFET-cascode, dus er treedt in dat geval geen verzwakking van het ingangssignaal op. Де BJT-каскод ограничен omdat R _в = r _π2 .

Op een vergelijkbare manier is het uitgangssignaal van het эквивалентная цепь

υOut = EENv υiknRL.RL. + ROut {\ displaystyle {\ upsilon} _ {uit} = A_ {v} \ {\ upsilon} _ {in} {\ begin {matrix} {\ frac {R_ {L}} { R_ {L} + R_ {uit}}} \ end {matrix}}}.

В цепях laagfrequente это doorgaans een hoge spanningsversterking gewenst, vandaar het belang van het gebruik van een belasting met weerstand R _L >> R _uit het belasting omt voorkomen verzwakt. Deformules voor R _out kunnen worden gebruikt om een ​​versterker te ontwerpen met een voldoende kleine uitgangsweerstand in vergelijking met de belasting of, als dat niet mogelijk is, om te beslissente bijolve, spanangepnings te voegen die overeenkomt met de belasting.лучше.

De eerdere schatting toonde aan dat de uitvoerweerstand van de Cascode Erg Groot is. Это подразумевает, что это подтверждается тем, что не может быть изменено по R _L >> R _из (он является одним из лучших MOSFET, также как и один из наиболее часто используемых). Het niet voldoen aan de voorwaarde R _L >> R _out is echter niet catastrofaal omdat de cascode-versterking ook erg groot is.Als de ontwerper wil, kan de grote winst worden opgeofferd om een ​​lage belastingsweerstand mogelijk te maken; для R _L << R _out vereenvoudigt de versterking als volgt:

υOut = EENv υiknRL.RL. + ROut≈EENv υiknRL.ROut = EENvROut υiknRL.≈-gm2RL.υikn {\ displaystyle {\ upsilon} _ {uit} = A_ {v} \ {\ upsilon} _ {in} {\ begin {matrix} {\ frac {R_ {L}} {R_ {L} + R_ {uit}}} \ ongeveer A_ {v} \ {\ upsilon} _ {in} {\ frac {R_ {L}} { R_ {uit}}} = {\ frac {A_ {v}} {R_ {uit}}} \ {\ upsilon} _ {in} R_ {L} \ приблизительно -g_ {m2} R_ {L} {\ upsilon } _ {in} \ end {matrix}}}.

Deze versterking is dezelfde als die voor de ingangtransistor die allen werkt. Dus, zelfs als de versterking wordt opgeofferd, производит cascode dezelfde versterking als de transconductantieversterker с een enkele transistor, maar met een grotere bandbreedte.

Omdat de versterkers een brede bandbreedte hebben, kan dezelfde benadering de bandbreedte van het circuit bepalen wanneer een belastingscondensator is aangesloten (встречается от zonder een belastingsweerstand).De aanname die nodig есть, это dat de belastingscapaciteit groot genoeg is om de Frequencyhankelijkheid te regelen, en de bandbreedte wordt niet gecontroleerd door de verwaarloosde parasitaire Capaciteiten van de transistoren zelf.

Hoogfrequent ontwerp

Bij hoge Frequency Moeten de Parasitaire Capaciteiten Van de Transistors (затвор-сток, затвор-исток, сток-тело и эквивалент двухполосного) .De ontwerpdoelen verschillen ook van de nadruk op de algehele hoge versterking, zoals hierboven beschreven for laagfrequent ontwerp.