Интернет-журнал 'Домашняя лаборатория', 2007 №5 - Федорочев

Каскад с эмиттерными (истоковыми) связями. Дифкаскад

1. Упрощённые схемы каскадов с комбинированными связями:

Одно из основных достоинств таких каскадов состоит в том, что выходная цепь таких усилительных каскадов благодаря низкоомной связи (низкоомного выходного каскада с ОК с низкоомным входным каскадом с ОБ) слабо связана с входной. Очевидно, что в таких схемах эффект Миллера отсутствует.

Входное сопротивление каскада на биполярных транзисторах (без учёта входного делителя) равно входному сопротивлению каскада с ОК:

Rвх = rб + (1 + h21э)h11б2

Входное сопротивление каскада с полевым транзистором на входе определяется, в основном, входным делителем.

Выходное сопротивление соответствует выходному сопротивлению каскада с ОБ (О3).

Коэффициент усиления по напряжению равен произведению коэффициентов передачи каскадов с ОК (ОИ) и с ОБ (ОЗ), а так как коэффициент передачи каскада ОК (ОИ) примерно равен единице, то по существу коэффициент усиления определяется вторым множителем. Таким образом входные и выходные и выходные параметры таких каскадов соответствуют параметрам каскадов с ОК (ОС) и ОБ (ОЗ) соответственно.

2. Пример использования каскада для усиления сигналов ВЧ.

3. Широкополосный генератор.

При изменении резистора R1 в пределах 50 МОм…10 кОм имеет перестройку частоты выходного сигнала от 100 Гц до 400 кГц.

4. Высокочастотный генератор.

Период следования импульсов T = 3,1RC; частота — до 50 МГц.

5. Пример применения каскада с эмиттерными связями в фазовом детекторе.

6. Простейший балансный преобразователь частоты.

Достоинства:

1. Компенсация всех синфазных помех, в той числе сигнала гетеродина и его шумов;

2. Компенсация чётных гармоник, что приводит к уменьшению числа побочных каналов.

Более сложные смесители выпускаются в микросхемном исполнении, наиболее простой из них К174ПС1 — аналоговый перемножитель Джильберта.

7. Пример применения каскада с эмиттерными связями в электронном регуляторе усиления.

Введение обратной связи с помощью резисторов R6, R7 позволяет существенно снизить искажения сигнала. Отношение резисторов выбирают в пределах: R7/R6 = 2…10.

8. Электронный регулятор по японскому патенту.

9. Регулятор с расширенной линейной областью на 15 дБ за счёт линеаризирующих диодов

(при входном напряжении 50 мВ имеет коэффициент гармоник на выходе 0.1 %)

10. Высоколинейный детектор огибающей.

Входное напряжение не должно быть более 100 мВ. При этом с коллекторов снимается верхняя, а с эмиттеров — нижняя огибающая AM — сигнала.

11. Пример применения в усилителе — ограничителе ЧМ — сигнала.

Контур выделяет первую гармонику. Ток транзистора VT2 имеет форму, близкую к прямоугольной. В микросхемном исполнении (например, К174ХА6, К174УРЗ и др.) контур заменяют обычным резистором.

Введение каскодной развязки с нагрузкой уменьшает амплитудно — фазовую конверсию:

12. Ограничитель другого типа.

13. Дифференциальный (балансный) каскад.

Позволяет решать задачу усиления сигналов с частотой от нуля (постоянного тока) до сотен МГц и при этом:

— даёт малую ошибку разбаланса входов за счёт взаимной компенсации Uбэ;

— стабилен по температуре и по времени благодаря согласованным изменениям параметров транзисторов;

— обладает способностью усиливать только дифференциальные сигналы и "не реагировать" на синфазные напряжения;

— имеет высокую линейность и скорость нарастания, особенно каскады на полевых транзисторах (ПТ);

— обладает высокой устойчивостью за счёт того, что входной и выходной токи попадают в шины общего провода (земли) и питания, замыкаясь через генератор и нагрузку, что особенно важно в УВЧ.

Для наглядности ниже показана схема четырёхплечного моста как элемента, не обладающего дрейфом. Если мост сбалансирован, т. е. R1/R2 = R3/R4, то при изменении напряжения питания баланс не нарушается и ток нагрузки равен нулю.

В дифкаскаде роль резисторов играют транзисторы:

Входное сопротивление ДК на ВТ равно:

Rвх = 4h21э∙fт/Iэсм, где Iэсм — общий (суммарный) эмиттерный ток смещения. Коэффициент усиления по напряжению Ku = RкIэсм/2fт при Rк1 = Rк2.

Искажения ДК на биполярных транзисторах при малых сигналах:

Kr=Um4/4fт4,

в то время как каскад с ОЭ имеет Kr = Um2ft2/(fт + IэRэ)4, а при Rэ = 0 Krmax = Um2/fт2 где Um — амплитуда входного сигнала.

Нетрудно подсчитать, что дифкаскад имеет искажения в 100 раз меньшие, чем каскад с ОЭ с Rэ = 0 и Um = 5 мВ. В то же время, искажения каскада на транзисторах разной проводимости довольно значительны. Поэтому для их уменьшения целесообразно включить между эмиттерами транзисторов резистор 100 Ом и более. Перегрузочная способность ДК на ПТ примерно в 100 раз выше, т. к. Uoтc/ft = 100. Так, например, при Uoтc = 2,6 B, Uвхmах = 1,5 В при Кг = 1 % на выходе, в то время как для биполярных транзисторов при том же коэффициенте гармоник Uвхmах = 17 мВ. К недостаткам ДК на ПТ можно отнести меньший (примерно в 4 раза) коэффициент усиления и большее напряжение смещения, которое сводится к минимуму использованием интегральных сборок, а так же тщательной подборкой транзисторов по параметрам и установкой их на общем радиаторе. Кроме того, при замене резистора в эмиттерной цепи ДК на ГСТ образуется очень глубокая отрицательная ОС по синфазному сигналу и сильное ослабления дрейфа. Другой недостаток ДК (в том числе и на ВТ) заключается в том, что эквивалентная шумовая ЭДС симметричного ДК в 20,5 раз (на 3 дБ), несимметричного ДК с пассивным генератором тока — в 2 раза (на 6 дБ), а несимметричного ДК с активным генератором тока — на 7–8 дБ превышает при прочих равных условиях эквивалентную шумовую ЭДС каскада с ОЭ на одном транзисторе. Это вытекает из того, что источник сигнала подключён к обоим входам ДК последовательно:

Следовательно, и источники шума транзисторов подключаются к источнику сигнала также последовательно.