Лекции по „Основи електроніки та електротехніки”

                                                   .                                            

 

Зворотний зв'язок, при  якому коефіцієнт підсилення підсилювача  збільшується, називають позитивним зворотним зв'язком. Якщо 1>bKп >0, згідно з рівнянням (4.21), Кзв>Кп, але має скінчене значення. При bKà1  Кзвà ¥ і коливання на виході підсилювача будуть навіть при відсутності вхідного сигналу, розвиваючись від малих флюктуарних шумових сигналів. Підсилювач самозбуджується, перетворюючись у генератор електричних коливань. Для підсилювача такий режим роботи неприпустимий.

В багатокаскадних підсилювачах через загальні кола живлення, ємності монтажу, паразитні індуктивності можуть з'являтися внутрішні зворотні зв'язки, для яких на якій-небудь частоті виконується співвідношення . Це призводить до погіршення характеристик підсилювача і в деяких випадках — до його самозбудження. Подібні зворотні зв'язки називають паразитними. Використання коригуючих кіл,розв'язуючих фільтрів і інших заходів дає змогу звести паразитні зворотні зв'язки до мінімуму.

 

Особливості аналогової інтегральної схемотехніки

Аналогові інтегральні  мікросхеми (ІМС) призначені для підсилення, обробки і перетворення електричних сигналів, параметри яких змінюються за законом неперервної функції. До таких аналогових ІМС належать операційні підсилювачі, інтегральні стабілізатори, компаратори та інші схеми, які складаються з базових схемотехнічних елементів, наприклад, елементарних підсилювальних каскадів, диференційних підсилювачів, каскадів зсуву потенціальних рівнів, генераторів стабільного струму, опорних елементів, кінцевих підсилювальних каскадів. Ці елементарні схеми широко використовують як при проектуванні відомих, так і при створенні нових лінійних ІМС.

Аналогові ІМС універсальні і багатофункціональні. Ці якості закладають в мікросхеми при їх розробці. Багатофункціональні мікросхеми виготовляють в масовому виробництві. Вузькоспеціалізовані ІМС не користуються великим попитом, вони дорогі. Аналоговим ІМС, особливо операційним підсилювачам, властива функціональна перенасиченість за більшістю параметрів. Це дозволяє проектувати прилади промислової електроніки на базі ІМС з високими технічними і експлуатаційними показниками.

При розробці напівпровідникових аналогових ІМС велика увага приділяється підвищенню технологічності мікросхем, тобто зменшенню кількості технологічних операцій. Це досягається використанням транзисторних структур не тільки як елементів підсилення, а також для виконання функцій пасивних елементів, наприклад, як резисторів, конденсаторів (див. розд. 2) і т. д. При цьому важливо, щоб у мікросхем була низька чутливість до розкиду параметрів, що збільшує процент виходу придатних ІМС.

Для аналогових мікросхем  характерно використання зворотних  зв'язків як з метою підвищення електричних характеристик, так  і для розширення функціональних можливостей, наприклад, для вибіркового підсилення, корекції характеристик і т. п. Тому розробники радіоапаратури вводять зовнішні кола зворотних зв'язків. Необхідно відзначити, що в принципових схемах ІМС намагаються уникнути місцевих зворотних зв'язків. Наприклад, введення глибокого зворотного зв'язку для стабілізації режиму роботи підсилювальних каскадів за постійним струмом (режим спокою) приводить до помітного зменшення коефіцієнта підсилення (застосування блокуючих конденсаторів великої ємності — одиниці, десятки мікрофарад — принципово неможливе). Тому найчастіше режим стабілізують параметричними способами: колами транзисторної структури в діодному вмиканні, диферен-ційним ввімкненням транзисторів за постійним струмом спокою і т.д.

Зв'язок між окремими каскадами в схемі ІМС звичайно безпосередній. При цьому є проблема узгоджування як окремих каскадів у складі мікросхеми, так і окремих мікросхем між собою. Для такого узгодження необхідно, щоб потенціали вхідної і вихідної напруг були близькі до потенціалу загальної клеми джерела живлення. Цього досягають, застосовуючи каскади зсуву потенціального рівня.

 

 

Методи забезпечення і  стабілізація режиму роботи транзисторного каскаду підсилення

Початкове положення  робочої точки на динамічній характеристиці підсилювального каскаду при відсутності вхідних сигналів зумовлюється сукупністю постійних складових струмів і напруг у вихідному (Іос,Uoс)і вхідному (Іов,Іoв) колах. Забезпечення робочого режиму транзистора тісно пов'язано зі стабілізацією режиму спокою підсилювального каскаду в цілому.

Нестабільність положення  робочої точки інтегрального  транзистора може бути спричинена нестабільністю напруги джерела живлення, старінням елементів ІМС, дрейфом параметрів мікросхеми. Однак найбільший вплив на зміщення робочої точки чинить температурна нестабільність параметрів елементів ІМС.

Під впливом зміни  температури зміщуються статичні характеристики транзистора. З ростом температури змінюється колекторний (вихідний) струм Іс, приріст якого обумовлений, головним чином, підвищенням зворотного струму колекторного переходу Іс_{0 ,} та коефіцієнта передачі за струмом транзистора h_21В(h_21E). Крім того, теплове зміщення характеристик транзистора зумовлене зміною напруги Uев на емітерному переході. Оскільки колекторний струм є функцією трьох змінних Іс = j (1*со, h_21Е , Uев), то його приріст виразимо повним диференціалом

 

                                   .                     

 

Частинні похідні в  рівнянні

 

 

                    ;       ;       .            

 

характеризують швидкість  зростання Iс під дією дестабілізуючих факторів.

У гібридних ІМС, де є  можливість використати резистори  і конденсатори великих номіналів, режим спокою і його термостабілізація здійснюються за допомогою резистивних кіл зміщення й введення місцевих кіл негативного зворотного зв'язку. В напівпровідникових ІМС, де застосування резисторів з великим опором утруднене (планарні резистори займають велику площу), а застосування конденсаторів великих ємностей практично неможливе, використовують параметричні методи температурної стабілізації положення робочої точки. Оскільки в напівпровідникових ІМС застосовують кремнієві транзистори, то вплив зміни струму Іс на їх температурну стабільність не має вирішального значення і його не враховують.

Схема параметричної  стабілізації режиму транзисторного каскаду VT2 за допомогою транзистора VTI в діодному ввімкненні показана на рис. а. Це одна з найпоширеніших базових схем інтегральної схемотехніки, відома під назвою генератора стабільного струму. Звичайно колектор транзистора VT2 вмикається в колі емітерів підсилювальних каскадів (наприклад, в колі емітерів диференційного підсилювача), забезпечуючи дані кола стабільним струмом 1с = Іо. Характеристики транзисторів VTI і VT2 відрізняються лише в межах розкиду їх статичних параметрів.

              Беручи до уваги, що в однотипних транзисторів температурнанестабільність коефіцієнтів передачі за струмом h_21E1 і h_21E2 , однакова, запишемо відносну температурну нестабільність колекторного струму lñ₂ транзистора VT2:

 

                           ,              

 

де DU_E1 i DU_E2 —відхилення напруг на емірнгіх переходах транзисторів VTI та VT2.

При цьому припускають, що температурна нестабільність теплових струмів емітерних переходів однакова: DI*со₁ /І *co₁=DІ* co₂/І*со₂  .

З рівняння випливає, що при рівних напругах на емітерних переходах обох транзисторів, а також однакових їх відхиленнях для схеми з паралельним вмиканням емітерних 'переходів маємо

 

                                               DІ c₂/Іс₂ =DIс₁ /І c₁ .                                  

 

 

Отже, відносна нестабільність струмів транзисторів VTI і VT2 однакова, тобто в такій парі транзисторів струм Iс₂ наслідує струм Iс₁ і відбувається «дзеркальне відображення» струмів. Таку схему (рис.а) називають «струмовим дзеркалом».

Таким чином, щоб стабілізувати  струм Iс₂ = Io₀, необхідно стабілізувати з достатньою точністю струм Iс₁ , відхилення якого, зумовлені температурною нестабільністю параметрів транзистора, визначаються рівнянням

 

                                       DIс₁ =-DU_BE1 / R-DІ_B1-DI_B2

 

Через те, що  DI_B1 »DIс₁ / h_21E1  і DI_B2»DI_C2/h_21E2» DІ_C1I_C2/ h_21E2І_C1  ,

 

                                 .              

 

З виразу випливає, що нестабільність колекторного струму транзистора VT2 зумовлюється нестабільністю напруги емітерного переходу(DIс₁»DU_BE1/R ), яка для кремнієвих транзисторів становить 1,7—2мВ/°С. Тому заданий режим роботи транзистора VTI і його колекторний струм Iс₁ (а отже, струм Ic₂) можливо забезпечити і стабілізувати відповідним добором зовнішніх елементів: резистора R і напруги джерела живлення Е

 

;                    

,       

де DW=1,12B—ширина забороненої зони кремнію;d_Т=DТ/Т, d_R = DR/R, dс= DIc₂/Ic₂ — відносна зміна температури, опору резистора R і колекторного струму транзистора VT2 відповідно. Розраховують елементи R і Е за формулами і при заданих значеннях d_T ,d_R, d_C, DE,Iс₂.

За схемою на рис. можливо стабілізувати режим диференцій-ного підсилювача вмиканням колекторного кола транзистора VT2 в загальне емітерне коло диференційного каскаду. Крім стабілізації режиму, така схема дозволяє вагомо підвищити рівень подавлення синфазної завади, не знижуючи підсилення корисного вхідного сигналу. При цьому якість джерела стабільного струму тим вища, чим більший його вихідний опір.

Підвищити вихідний опір до опору колекторного переходу rс можна введенням негативного зворотного зв'язку за струмом, вмикаючи в коло емітера транзистора VT2 резистор R_E2 (рис.). Крім того, введення негативного зворотного зв'язку знижує чутливість джерела сигналу до змін напруги джерела живлення Е. Для того, щоб транзистор VT2 не працював у режимі дуже малих струмів, в коло емітера транзистора VTI вмикають резистор невеликого опору   R_E1. При цьому потенціал бази транзистора VT2 підвищується, що забезпечує підвищення емітерного струму цього транзистора.

На рис. показана схема джерела стабільного струму (так звана «струмова двійка»), яка відрізняється від розглянутих раніше тим, що при такому ввімкненні транзистор VT2, що генерує струм Iо цього каскаду, навіть при низьких напругах живлення не входить у режим насичення. Тому можна використовувати низьковольтні джерела живлення (±2 ... З В).

 

 Струм Іс₂= 1о знаходять з рівняння

 

                            

                                 Іс₂=U_BE1/R_E2 .                                               

 

При цьому резистор R_E2 в колі емітера транзистора VT2 служить для передачі сигналу негативного зворотного зв'язку в базу транзистора VTI. Завдяки негативному зворотному зв'язку джерело струму має високий вихідний опір. Крім того, в такій схемі струм Iс₂ = Iо майже не залежить від напруги живлення, хоча змінюється при коливаннях температури. Щоб уникнути впливу температурних змін, як резистор R_E2 негативного зворотного зв'язку за струмом використовують транзистор VT3 (рис. ). Цей транзистор в діодному вмиканні задає режим роботи транзистора VT2, термостабілізуючи колекторний струм Iс₁, що зумовлює високу термостабільність колекторного струму Iс₂=Iо.

 

Елементарні каскади  підсилення

Елементарні підсилювальні каскади являють собою однокаскадні осередки. До таких каскадів на біполярних транзисторах відносять каскади із загальним емітером (ЗЕ), загальним колектором (ЗК) і загальною базою (ЗБ). Схема ЗЕ забезпечує як підсилення напруги, так і підсилення струму. Каскад за схемою з ЗК (емітерний повторювач) повторює на виході вхідну напругу, але із-за підсилення струму забезпечує підсилення потужності. Схема ЗБ повторює на виході струм, що надходить у вхідне коло каскаду (повторювач струму). Підсилення потужності в цьому каскаді забезпечується за рахунок підсилення напруги. Найбільше підсилення потужності має іхема із ЗЕ.

Однокаскадні підсилювачі  звичайно працюють в режимі малого сигналу. Тому для аналізу їх якостей і одержання динамічних параметрів — вхідного і вихідного опорів, коефіцієнтів підсилення за струмом і напругою — складають схему заміщення каскаду. При проведенні аналізу допускають, що на вхід каскаду подається стале синусоїдальне електричне коливання (для підсилювачів сигналів незмінної чи повільно змінної амплітуди) або миттєвий стрибок напруги (для підсилювачів імпульсних сигналів).

Крім біполярних транзисторів, в підсилювальних каскадах використовуються польові транзистори. По аналогії з каскадами на біполярних транзисторах елементарні каскади на польових транзисторах діляться на каскади із загальним витоком (3В), загальним стоком (ЗС) та загальним затвором (33).

Однокаскадний підсилювач за схемою ЗЕ (рис.). В цій схемі  корисна вихідна потужність на опорі навантаження

Rí = RсRн/(Rс + Rн)

 

зумовлена складовою  колекторного струму за рахунок корисного  сигналу з амплітудою Icm (або колекторної напруги з амплітудою Ucm), майже повністю обумовлюється енергією джерела живлення Ес, а не енергією вхідного сигналу.