И. Хабловски - Электроника в вопросах и ответах
В транзисторных схемах, кроме схем на полевых транзисторах, характеризующихся высоким входным сопротивлением, получить большое входное сопротивление значительно труднее. Входное сопротивление усилителя, работающего по схеме с ОЭ, не превышает нескольких десятков килоом. Поэтому для получения больших входных сопротивлении приходится использовать специальные схемы. Одной из них является аналог лампового катодного повторителя — эмиттерный повторитель (рис. 7.28, б).
Рис. 7.28. Катодный (а) и эмиттерный (б) повторители
Входное сопротивление эмиттерного повторителя выражается формулой Zвх ~= h21эRэ, из которой следует, что оно равно сопротивлению в цепи эмиттера, умноженному на коэффициент передачи по току транзистора. Это не означает, что входное сопротивление может достигать произвольно большого значения за счет увеличения значения Rэ. Максимальное входное сопротивление не может превышать сопротивления база — коллектор, равного 1/h22б. Кроме того, делитель в цепи смещения базы, вносящий на вход сопротивление Rб = R1R2(R1 + R2), также уменьшает эффективное входное сопротивление повторителя.
Одним из эффективных методов увеличения входного сопротивления эмиттерного повторителя является увеличение коэффициента передачи транзистора по току h21э. В транзисторных схемах благодаря токовому характеру возбуждения (управления) транзистора это оказывается возможным в схеме «супер-альфа», называемой также схемой Дарлингтона. В этой схеме (рис. 7.29) ток эмиттера первого транзистора управляет базой второго транзистора, в связи с чем результирующий коэффициент передачи тока h21э равен произведению h'21эh''21э отдельных-транзисторов: h21э = h'21эh''21э. Для большего числа транзисторов, работающих в схеме Дарлингтона, h21э = h'21эh''21эh'''21э… На рис. 7.29 представлен эмиттерный повторитель, собранный по подобной схеме.
Рис. 7.29. Эквивалентная схема (а) и эмиттерный повторитель (б) схемы «суперальфа»
В соответствии с предыдущими рассуждениями его входное сопротивление выражается следующей формулой:
Zвх = h'21эh''21эh21к
Что такое дифференциальный усилитель?
Дифференциальный усилитель — это усилитель на двух транзисторах с эмиттерной связью, позволяющей использовать в любых комбинациях несимметричные или симметричные вход и выход.
Принципиальная схема дифференциального усилителя, в котором выходное напряжение равно разности двух входных сигналов, показано на рис. 7.30.
Рис. 7.30. Дифференциальный усилитель с двумя входами и симметричным выходом:
а — принципиальная схема; б — схема с дополнительными эмиттерными резисторами Rэ.
На базы обоих транзисторов несимметрично подаются два напряжения u11 и u12. Выходное напряжение u2 представляет собой разность потенциалов, действующих на коллекторах транзисторов. Это напряжение симметрично. Дифференциальный усилитель используется для усиления только разности входных напряжений, а не самих входных напряжений.
Коэффициент усиления схемы, определяемый как отношение напряжения u2 к разности u12 — u11, выражается, при допущении идентичности транзисторов, следующей формулой:
Кu ~= — Rн/h11б
Путем использования дополнительных эмиттерных резисторов Rэ можно уменьшить чувствительность усиления к разбросу значений h11б. В этом случае
Кu ~= — Rн/h11б + Rн ~= — Rр/Rэ
причем последнее приближение справедливо, если Rэ >> h11б. Следует подчеркнуть, что усиление схемы полностью не зависит от сопротивления резистора RF. Однако, с другой стороны, чем больше сопротивление, тем лучше коэффициент редукции суммарного сигнала на выходе схемы. В противоположность дифференциальному (разностному) сигналу суммарный сигнал является паразитным сигналом, зависящим от общей составляющей входного напряжения. Теоретически эта составляющая не появляется на выходе. В действительности из-за внутренней несимметрии схемы дифференциального усилителя составляющая существует. Для увеличения коэффициента редукции суммарного сигнала следовало бы увеличивать сопротивление резистора RF. В реальных условиях это не всегда возможно. Поэтому вместо резистора RF можно использовать дополнительный транзистор в схеме идеального генератора тока или источника с бесконечно большим внутренним сопротивлением (рис. 7.31, а). В этом случае практическое сопротивление резистора RF равно выходному сопротивлению транзистора в схеме с ОБ
RF ~= 1/h22б
Дифференциальный усилитель может также работать и в других схемах управления по входам и отбора сигнала на выходе, на рис. 6.31, б представлена схема с одним несимметричным входом и симметричным выходом. Схема такого типа может быть использована в качестве симметрирующей схемы. Еще одна схема (рис. 7.31, в) служит для преобразования симметричного входного сигнала в несимметричный выходной сигнал. Эта схема характеризуется наличием двух входов и одного несимметричного выхода.
Рис. 7.31. Дифференциальные усилители с питанием от источника тока (а), с одним асимметричным входом и с симметричным выходом (б) и с двумя входами и асимметричным выходом (в)
Где применяют дифференциальные усилители?
Дифференциальные усилители нашли применение в технике интегральных микросхем при создании многокаскадных усилительных схем. Техника интегральных микросхем позволяет получать транзисторы и резисторы с очень хорошей воспроизводимостью. Благодаря этому сохраняется симметрия дифференциальных усилителей, являющаяся основой автоматической компенсации дрейфа, заключающейся в вычитании дрейфов двух симметричных трактов усиления. В этом случае проблема дрейфа имеет принципиальное значение, поскольку в интегральных микросхемах обычно применяется непосредственная связь последовательных каскадов дифференциальных усилителей. Этот вид связи устраняет проблему пропускания низких частот, связанную с конденсаторами связи. Использование конденсаторов с большой емкостью, а следовательно, и с большими геометрическими размерами свело бы на нет все преимущества малых габаритных размеров интегральных микросхем.
В интегральных микросхемах вместо резисторов RF в эмиттерной цепи дифференциальных усилителей, которые показаны в схемах на рис. 7.30 и 7.31,б и в, обычно используется третий транзистор, как показано на рис. 7.31, а.
Кроме интегральных микросхем дифференциальные усилители на дискретных элементах нашли применение в качестве усилителей постоянного тока и симметрирующих усилителей. Их также широко используют в измерительных приборах для получения сигнала, пропорционального разности двух входных напряжений. Примером этого может служить использование дифференциальной схемы на входе современного осциллографа.
Что такое каскод?
Это усилитель, состоящий из двух ступеней, из которых первая работает в схеме с ОК или ОЭ, а вторая — в схеме с ОС или ОБ.
На рис. 7.32 показаны два варианта каскодной схемы.
Рис. 7.32. Ламповая (а) и транзисторная каскодные схемы (б)
Ламповый (триодный) вариант каскода часто использовался во входных каскадах широкополосных усилителей из-за своих полезных свойств. Нагрузкой первой ступени служит малое входное сопротивление ступени с общей сеткой, что благоприятно влияет на стабильность первой ступени.
Анализируя усиление этой схемы, можно прийти к выводу, что оно зависит только от параметров первой лампы и сопротивления нагрузки второй лампы Кu = S·Zн. В общем случае можно утверждать, что каскод обладает усилительными достоинствами и стабильностью пентода и шумовыми свойствами триода. Малые шумы схемы являются следствием того, что на входе находится триод, характеризующийся малым эквивалентным шумовым сопротивлением. При большом значении крутизны S эквивалентное шумовое сопротивление может быть немного меньше, чем шумовое сопротивление пентода с такой же крутизной.
