Каскодные усилители

February 25, 2011 by admin Комментировать »

Каскодное включение полевого и биполярного транзисто­ров позволяет получить сочетание лучших свойств тех и других транзисторов.

На рис. 5.1 — 5.6 приведены отобранные практикой схемы соединения полевого и биполярного транзисторов, систематизи­рованные в сборнике схем Б.И. Горошкова. Они имеют высокое, характерное для полевых транзисторов, входное сопротивление и низкое, присущее биполярным транзисторам, выходное.

Рис. 5.1

Рис. 5.2

Коэффициент усиления (передачи) таких каскадов мож­но вычислить по приводимым в главе 3 формулам. В этих формулах Ку и — коэффициент усиления каскада по напря­жению; h213 (или (3) — коэффициент передачи биполярного транзистора по току; S — крутизна характеристики полево­го транзистора (мА/В)\ RH — сопротивление нагрузки (кОм).

Ориентировочные, численные значения h213 и S можно найти в справочниках или паспортных данных (см. Приложение);

реальные же значения могут заметно отличаться от «теоре­тических».

Рис. 5.3

Рис. 5.4

Рис. 5.5

Как следует из сопоставления формул, каскады усиления (рис. 5.1, 5.3, 5.5, 5.6) имеют коэффициент усиления (передачи), равный произведению отдельно взятых коэффициентов передачи транзисторов, входящих в каскад. Каскады (рис. 5.2, 5.4) имеют коэффициент передачи, практически равный единице.

Каскодное (двух, трех или более «этажное» включение полевых и/или биполярных транзисторов) позволяет простыми средствами добиться высокого коэффициента передачи, осла­бить проникновение входного сигнала на выход усилителя, уп­ростить схему в целом, повысить устойчивость ее работы, повысить максимальное значение напряжения питания и ам­плитуду выходного сигнала, соответственно. «Двухэтажные» каскодные усилители требуют удвоения напряжения питания по сравнению с обычным включением транзисторов, при этом ток, потребляемый схемой, снижается вдвое.

Рис. 5.6

Рис. 5.7. Эквивалент К140УД7

На рис. 5.7 показана схема, позволяющая проимитиро- вать довольно сложную по внутренней структуре аналоговую микросхему низкочастотного усилителя К140УД7 [Р 1/79-44]. Полноценной такую замену считать, разумеется, не следует (особенно в части коэффициента усиления). Однако использо­вание эквивалента микросхемы, выполненного на дискретных элементах, в ряде случаев может быть оправдано. Резистор R2 подбирают до установления на выходе аналога микросхе­мы нулевого напряжения при питании устройства от двухпо- лярного источника.

Каскодные схемы широкополосных усилителей на поле­вых и биполярных транзисторах, включенных последовательно по постоянному току, приведены на рис. 5.8 — 5.16 [А.Г. Ми- пехин, Р 9/72-38]. В качестве динамической нагрузки полевого транзистора VT1 используется активный элемент — полевой или биполярный транзистор VT2, внутреннее сопротивление которого зависит от амплитуды сигнала на стоке транзис­тора VT1.

Рис. 5.8

Рис. 5.9

Транзистор VT1 включен по схеме с общим истоком, тран­зистор VT2 — с общим стоком (рис. 5.8 — 5.10). При таком со­четании первый каскад имеет коэффициент усиления по напряжению близкий к единице, благодаря чему он обладает большим запасом устойчивости. Кроме того, схема с общим ис­током обладает значительным коэффициентом усиления по мощности, что способствует снижению шума двухкаскадного усилителя. Второй каскад, обладая большим коэффициентом устойчивого усиления, позволяет получить необходимое усиле­ние по напряжению.

Рис. 5.10

Рис. 5.11

Рис. 5.12

Наиболее простая схема (рис. 5.8) содержит всего 5 элемен­тов, включая переходные конденсаторы. Несколько усложненный вариант усилителя (с включением в цепь истока каждого полевого транзистора сопротивления смещения) показан на рис. 5.9.

Рис. 5.13

Рис. 5.14

Для расширения частотного диапазона входного сигнала в качестве сопротивления в цепи истока верхнего (по схеме на рис. 5.10) полевого транзистора дополнительно может быть включен высокочастотный дроссель — элемент, реактивное сопротивление которого возрастает с ростом частоты.

Коэффициент усиления каскада в области низких частот (рис. 5.8) при использовании полевых транзисторов типа КП103Ж достигает 40 дБ при низком уровне шумов.

Коэффициент усиления по напряжению в диапазоне низ­ких частот (от 10 Гц до 10 кГц) каскада на рис. 5.9 составля­ет 130 [А.Г. Милехин]. Максимальный выходной сигнал при напряжении питания 9 В может доходить до 1,4 В. Схема на рис. 5.11 имеет динамическую нагрузку полевого транзистора, в качестве которой применен биполярный транзистор.

Рис. 5.15

Рис. 5.16

Основные характеристики схемы (рис. 5.11) соответствуют аналогичным для схемы (рис. 5.9), коэффициент усиления по на­пряжению незначительно возрастает, но в целом схема заметно усложняется.

На рис. 5.12 показан пример практической реализации уси­лительного каскада, выполненного на основе полевого и биполяр­ного транзисторов (см. также рис. 5.1).

В соответствии со сведениями, систематизированными в литературе [Р 9/72-38], можно привести сводную таблицу 5.1, характеризующую свойства каскодных усилителей в сопостави­мых условиях измерения (для транзисторов КП103М), см. рис. 5.8 — 5.10, 5.13 — 5.16.

Таблица 5.1

Схе­

Кус,

Полоса про­

 

ма, рис.

ДБ

раз

пускания, МГц

Примечание

5.8

6

2

<3

0…3 МГц — без переходных конденсаторов

5.9

16

6.4

<3

0…3 МГц — без переходных конденсаторов и R3

5.10

16

6.4

<5

L1 — 40 мкГн

5.13

28

25

<15

С* регулирует ширину полосы пропускания

5.14

60

1000

<1

схему можно дополнить дросселем (рис. 5.10)

5.15

40

100

<3

с дросселем <5 МГц

5.16

46

200

<5

0…5 МГц (выходА)

 

52

400

<2,5

0.. .2,5 МГц (выход В)

Апериодический и резонансные каскады усиления с кас- кодным включением транзисторов показаны на рис. 5.17 — 5.19 [Р 5/75-54].

Рис. 5.17

Резонансный каскодный усилитель (рис. 5.18) в области частот до 500 кГц имеет устойчивое и не зависящее от частоты усиление по напряжению (порядка 20…25 раз) при использова­нии относительно низкочастотных транзисторов типа КП103И. При их замене более высокочастотными (типа КПЗОЗ и сменой полярности источника питания) схема усилителя может работать для усиления сигналов в диапазонах коротких и средних волн.

Рис. 5.18

Рис. 5.19

Вторая схема каскодного резонансного усилителя (рис. 5.19) позволяет получить на частоте 12,5 МГц коэффициент усиления до 18…20. Для более низких частот (в диапазоне длинных и сред­них волн) коэффициент усиления по напряжению возрастает до 100 и выше. От источника питания усилитель потребляет ток 3…4 мА.

На основе схем усилителей, приведенных на рис. 5.18, 5.19, могут быть созданы узкополосные высокочастотные усилители с одновременно перестраиваемыми на входе и выходе устройства идентичными колебательными контурами или фильтрами.

Интересным схемотехническим решением, позволяющим заметно выиграть в соотношении сигнал/шум, создав таким об­разом сверхмалошумящие усилители, является, параллельное включение в нижнем плече схемы нескольких однотипных тран­зисторов [ПТЭ 1/78-88]. Общий коэффициент усиления транзи­сторов суммируется. В то же время уровень шумов возрастает только пропорционально корню квадратному из числа парал­лельно включенных транзисторов. В итоге, если включить па­раллельно 4 транзистора, соотношение сигнал/шум улучшится в 2 раза; при девяти транзисторах — в 3 раза и т.д.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты