Главная  Интегральный монолит 

[0] [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [33] [34] [35] [36] [37] [38] [39] [40] [41] [42] [43] [44] [45] [46] [47] [48] [49] [50] [ 51 ] [52] [53] [54] [55] [56] [57] [58] [59] [60] [61] [62] [63] [64] [65] [66] [67] [68] [69] [70] [71] [72] [73] [74] [75] [76] [77] [78] [79] [80] [81] [82] [83] [84]

Наличие в эквивалентной схеме коллекторно-базовой емкости приводит к тому, что ее расчеты вручную становятся весьма громоздкими. Для прикидочных расчетов и оценки порядка величин параметров эквивалентная схема рис. 8-1,а может быть приведена к виду на рис. 8-1,6. На этой схеме эквивалентная проводимость Кэ отражает обратную связь в транзисторе через коллекторно-базовую емкость Ск и связана с сопротивлением нагрузки на выходе 2н следующим соотношением:

Уэ=5С„(Ц-5т2н), (8-1)

где S - комплексная переменная частота, а в Zh входит емкость между коллектором и подложкой Скп-

Если пренебречь емкостью Сп и считать, что нагрузка чисто активная, т. е. Zj3,=R, то выражение для проводимости Кэ будет иметь вид:

Yg=sC{\+SR). (8-2)

Во многих случаях упрощенная гибридная П-образная эквивалентная схема, показанная на рис. 8-1, не позволяет с достаточной степенью точности описать характеристики транзистора на высоких частотах.

Упрощенная схема рис. 8-1,6 может привести к значительным ошибкам уже на достаточно низких частотах от 0,05[т до. 0,1/т, особенно при нагрузке емкостного характера. Эта эквивалентная схема не учитывает распределенный характер паразитных параметров Гб, га, Ск и Это обстоятельство также может привести к существенным ошибкам в расчете фазовой характеристики транзистора на частотах, близких к \t.

Составление точной эквивалентной схемы активных интегральных элементов и ее описание на высоких частотах представляют сложную проблему. В настоящее время разработан ряд методов составления эквивалентных схем и измерения их параметров, которые описывают характеристики биполярных транзи-

сторов с более высокой степеньку точности по сравнению с простейшей эквивалентной схемой рис. 8-Г.. Однако для этих схем требуется определять и измерять большое количество дополнительных параметров. Поэтому для расчета здесь более пригодны численные методы, а не аналитические. При современном уровне развития и возможностях методов анализа с помощью цифровых вычислительных машин чрезмерная сложность таких схем не представляет серьезной проблемы. Применение методов анализа и оптимизации с помощью вычислительных машин в процессе проектирования широкополосных усилителей кратко рассмотрено в последнем параграфе настоящей главы.

8-2. СОСТАВНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Путем применения нескольких транзисторов вместо одного можно значительно повысить произведение коэффициента усиления на полосу пропускания усилительного каскада. На рис. 8-2 показаны два типа составных транзисторов, которые могут быть использованы взамен каскада усиления с общим эмиттером. Следует иметь в виду, что схемы на рис. 8-2 составлены только для сигнала переменного тока и цепи смешения постоянного тока на них не

о-

и вых;


Ф В)

Рис. 8-2, Две схемы составных усилительных каскадов. Каскад ОК-ОЭ (а); каскад ОЭ-ОБ (б).



показаны. Заметим также, что соединение составных транзисторов не является новым и уже применялось при проектировании транзисторных схем на дискретных элементах. Однако их конкретное применение и полезность при проектировании аналоговых интегральных схем ограничиваются тем обстоятельством, чтобы дополнительно вводимые активные элементы и связанные с ними цепи смещения по постоянному току сопровождались минимальным возрастанием стоимости и сложности схемы.

На рис. 8-2,а показана схема по переменному току каскада общий коллектор - общий эмиттер (ОК- ОЭ). В этом составном устройстве транзистор Ti представляет собой эффективный буфер со стороны входа для усилительного каскада на транзисторе Т. Поэтому влияние емкости коллектора на вход каскада в значительной степени снижается. Это обстоятельство приводит к увеличению произведения коэффициента усиления на полосу пропускания составного устройства по сравнению с каскадом по схеме с общим эмиттером на одиночном транзисторе. Улучшение частотных характеристик составного транзистора особенно существенно при больших значениях внутреннего сопротивления источника сигнала Rmi-

Каскодная схема или каскад общий эмиттер - общая база (ОЭ- ОБ), показанный на рис. 8-2,6, также является полезным составным устройством, которое может применяться в широкополосных усилителях. Улучшение высокочастотных характеристик обеспечивается благодаря рассогласованию импедансов между транзисторами Ti и Тг- Коллекторной нагрузкой транзистора Ti является входное сопротивление транзистора Гг. Так как транзистор Гг включен по схеме с общей базой, его входное сопротивление очень мало. Это в свою очередь поддерживает величину коэффициента усиления по напряжению транзистора Ti

на низком уровне и сводит к минимуму емкостную нагрузку на входе, которая обусловлена коллекторно-базовой емкостью транзистора rj. Величина коэффициента усиления по току на низкой частоте Ki рассматриваемой составной схемы определяется следующим выражением:

Ki = - = h°u (8-3)

где 3i и 02 - коэффициенты усиления по току в схеме с общим эмиттером и в схеме с общей базой транзисторов Ti и Гг соответственно. Так как величина «2 очень близка к единице, полное значение коэффициента усиления каскада по току приближенно равно коэффициенту усиления транзистора Гь Поскольку выходной транзистор Гг отделяет от нагрузки усилительный ка.скад на транзисторе Ti, широкополосность-каскодной схемы включения повышается существенно по мере увеличения сопротивления нагрузки R-a- Например, при средних значениях коэффициента усиления: каскада (/?н>2 кОм) каскодная" схема включения позволяет увеличить полосу пропускания на уровне 3 дБ по сравнению с простым усилительным каскадом по схеме с общим эмиттером.

Обе схемы составных транзисторов ОК-ОЭ и ОЭ-ОБ обладают более высокой степенью развязки между входными и выходными цепями каскада по сравнению с простым каскадом усиления на одном транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером. Повышенное-качество развязки обеспечивается-потому, что сильно уменьшена обратная передача через составное-устройство благодаря рассогласованию импедансов между транзисторами Г( и Гг. Другими словами,, в каждом случае один из транзисторов {Ti в схеме ОК-ОЭ и Гг в схеме ОЭ-ОБ) выполняет роль трансформатора сопротивления. Это свойство делает составные транзисторы-особенно привлекательными для использования в высокочастотных



перестраиваемых усилительных каскадах, в которых паразитные связи между .входными и выходными контурами сильно затрудняют настройку каскадов.

Применение второго транзистора б схемах составных устройств, которые показаны на рис. 8-2, вносит добавочную постоянную времени или дополнительный ПОЛюс на характеристике схемы. Для схемы ОК-ОЭ . величина этого полюса оказывается сравнимой с величиной доминирующего полюса каскада с увеличением внутреннего сопротивления источника сигнала Rbh- То же самое относится и к каскодной схеме составного устройства, но с увеличением .сопротивления нагрузки Rn. Так как в схемах ОК- ОЭ и ОЭ-ОБ полоса пропускания каскада на уровне 3 дБ расширяется при больших величинах сопротивления /?вн или Ru соответственно, то это означает, что при использовании составных устройств для оптимизации произведения .коэффициента усиления на полосу пропу-скания они могут привести к неустойчивости и возбуждению схемы на высоких частотах и к фазовой задержке. Поэтому в каскадах ссо-ставными транзисторами необходимо принимать меры по устранению самовозбуждения, например использовать цепи обратной связи.

Каскады с эмиттерной связью

На высоких частотах интегральная схема с эмиттерной связью или нарафазная схема, которая показана на рис. 8-3, обладает значительными преимуществами по сравнению с простым каскадом с общим эмиттером. Каскад с эмиттерной -связью является особым видом .составных устройств и представляет собой соединение схемы с общим коллектором (Ti) и с общей базой (Tz). Он также является частным случаем основной схемы дифференциального усилителя, который был рассмотрен в гл. 5. Отличие.\1 каскада с эмиттерными связями от

дифференциального усилителя является то, что входной сигнал подается только на одиночный вход, а сопротивление нагрузки в цепи коллектора транзистора Ti отсутствует. В усилительном каскаде с эмиттерными связями входной транзистор Tl, включенный по .схеме с общи.м коллектором, минимизирует входную емкость и обеспечивает требуемую величину коэффициента усиления по току. Транзистор Tz, включенный по схеме с общей базой, в свою очередь преобразует полученное усиление по току в усиление по напряжению благодаря сопротивлению нагрузки Rs в коллекторной цепи. Аналогично схемам составных тра.нзисторов ОК-ОЭ и ОЭ-ОБ каскад с эмиттерными связями также позволяет устранить узкополосную обратную связь через емкость Сц (эффект Миллера) и существенно снизить обратную передачу сигнала с выхода каскада на его вход. Однако в отличие от схем составных транзисторов, показанных на рис. 8-2, схема с эмиттерной связью является неинвертирующим усилительным каскадом и не имеет .фазового сдвига между входным и выходным сигналами. Поэтому составное устройство с эмиттерной связью (ОК-ОБ) не является непосредственной заменой усилительного каскада с общим эмиттером, особенно при наличии цепи отрицательной обратной связи. Поскольку каскад с эмиттерными связями является неинвертирующим, в нем трудно при-

O+fK


Рис. 8-3. Каскад усиления с эмиттерными связями.



[0] [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [33] [34] [35] [36] [37] [38] [39] [40] [41] [42] [43] [44] [45] [46] [47] [48] [49] [50] [ 51 ] [52] [53] [54] [55] [56] [57] [58] [59] [60] [61] [62] [63] [64] [65] [66] [67] [68] [69] [70] [71] [72] [73] [74] [75] [76] [77] [78] [79] [80] [81] [82] [83] [84]

0.0009