§ 4.9. УСИЛИТЕЛЬНЫЕ КАСКАДЫ С ДИНАМИЧЕСКОЙ НАГРУЗКОЙ И С КАСКОДНЫМ ВКЛЮЧЕНИЕМ ТРАНЗИСТОРОВ

Характерной особенностью усилительных каскадов с динамической нагрузкой является то, что в качестве коллекторного сопротивления включают дополнительный транзистор или группу транзисторов.

Рис. 4.33. Схема каскада ОЭ с динамической нагрузкой (а); входные характеристики транзистора (б); эквивалентная схема каскада для переменного тока в области средних частот

Эти дополнительные транзисторы выполняют роль источников тока с высоким дифференциальным сопротивлением. Поэтому введение их позволяет увеличить коэффициент усиления не нарушая статического режима работы каскада.

Схема усилительного каскада с динамической нагрузкой в коллекторной цепи приведена на рис. 4.33, а. В ней транзистор выполняет роль сопротивления в коллекторной цепи обычного каскада с ОЭ. Очевидно, что введение транзистора изменяет в общем случае и режим каскада по постоянному току. Поэтому при такой схеме включения возникает ряд вопросов обеспечения необходимого статического режима работы каскада.

Для выявления этих особенностей предположим, что мы выбрали исходя из соображений, рассмотренных в § 4.3, ток покоя транзистора и падение напряжения на нем . При заданном значении это обеспечивается выбором резисторов делителя R, и . Тогда напряжение на коллекторном переходе транзистора .

Следовательно, на транзисторе должно падать напряжение

при токе транзистора , равном . Используя выходную характеристику транзистора (рис. 4.33, б), можно найти параметры генератора тока, обеспечивающего ток транзистора при заданном . Если транзистор работает на горизонтальном участке характеристики, где ток транзистора мало зависит от напряжения .

При подаче на базу транзистора переменного напряжения ток транзистора практически не меняется. Поэтому для приращений тока транзистор можно рассматривать как сопротивление, значение которого равно дифференциальному сопротивлению запертого коллекторного перехода .

Эквивалентная схема каскада имеет вид, показанный на рис. 4.33, в. Выходное сопротивление транзистора на один - два порядка меньше . Поэтому можно пренебречь. Коэффициент усиления по напряжению

(4.191)

Из (4.189) видно, что если , то усиление каскада с динамической нагрузкой по сравнению с каскадом с ОЭ тем выше, чем больше по сравнению с .

Таким образом, включение транзистора , работающего в режиме генератора заданного тока, эквивалентно увеличению сопротивления коллекторной нагрузки каскада до значения .

При необходимости расширить полосу пропускания в область высоких частот и иметь при этом большой коэффициент усиления используют каскодные усилительные каскады (рис. 4.34, а). В них транзистор включен по схеме с ОЭ, а транзистор — по схеме с ОБ. Такое включение обеспечивает уменьшение емкости выходной цепи до и увеличение выходного сопротивления транзистора до , что характерно для схемы с ОБ.

Рис. 4.34. Схема каскодного каскада, на транзисторах, включенных с ОЭ и ОБ (а) и его эквивалентная схема для переменного тока (б): схема дифференциального каскада с динамической нагрузкой (в) и его упрощенная схема после эквивалентных преобразований (г)

Ток коллекторов транзисторов и VT1 ориентировочно в раз больше входного тока, как и в усилительных каскадах с ОЭ. При одинаковых значениях сопротивления у каскодного усилительного каскада и каскада с ОЭ ширина полосы пропускания у первого будет значительно больше, так как постоянная времени его выходной цепи раз меньше соответствующей постоянной времени у каскада с ОЭ: . При той же полосе пропускания, что и у каскада с ОЭ, сопротивление в раз больше и соответственно выше коэффициент усиления по напряжению каскада.

В отличие от вышерассмотренной схемы рис. 4.33, а при каскодном включении задается потенциал базы транзистора , а не ее ток. Для этого в цепь базы включен конденсатор , имеющий сравнительно большую емкость.

Статический режим каскада рассчитывается аналогично тому, как это рассмотрено в § 4.3.

Эквивалентная схема каскада для области средних частот приведена на рис. 4.34, б. Если пренебречь сопротивлениями ввиду того что они существенно больше входного сопротивления транзистора и сопротивления нагрузки , то ток коллектора транзистора равен току эмиттера транзистора , а именно: . Тогда для входного и выходного напряжений можно записать уравнения (для простоты пренебрегая сопротивлением делителя

(4.193)

Отсюда коэффициент усиления каскада, подключенного к источнику напряжения с нулевым внутренним сопротивлением,

(4-194)

Если источник входного напряжения имеет внутреннее сопротивление, отличное от нуля , то коэффициент усиления

(4.195)

Так как , то значение коэффициента усиления каскодного каскада близко к значению коэффициента усиления обычного каскада с ОЭ. Входное сопротивление остается равным сопротивлению каскада с ОЭ.

Таким образом, в каско дном каскаде реализуются преимущества каскадов с ОЭ и ОБ — большой коэффициент усиления и высокое выходное сопротивление, определяемые гкдиф и , а не , как в каскаде с ОЭ.

Если конденсатор (рис. 4.34, а) отключить от общей шины и соединить с источником напряжения , то ток в цепи будет зависеть как от напряжения , так и от . Если статический режим работы транзисторов выбран так, что они работают на нелинейных участках характеристик, то при одновременном изменении и каскад будет осуществлять перемножение этих сигналов. В спектре выходного напряжения будут присутствовать составляющие, имеющие частоты амплитуды которых зависят от значений , а также комбинационные гармоники. Это свойство позволяет выполнять на основе каскодной схемы перемножители (смесители) двух сигналов.

Каскодное включение позволяет: 1) получать высокое выходное сопротивление; 2) уменьшать влияние емкостей коллекторного перехода и при использовании тех же транзисторов выполнять усилительные каскады с лучшими частотными характеристиками; 3) создавать устройства, управляемые одновременно несколькими сигналами, которые могут выполнять функции перемножителей сигналов, в том числе и достаточно высокочастотных; 4) реализовывать преимущества различных схем включения транзисторов (схем с ОЭ и ОБ).

Рассмотренные подходы к построению усилительных каскадов широко применяются на практике. Так, например, в дифференциальном каскаде (рис. 4.34, в), транзистор является динамической нагрузкой для транзистора , что существенно повышает значение его нагрузочного сопротивления по переменному току. Кроме того, транзистор управляется по базовой цепи выходным напряжением транзистора , сдвинутым по. фазе на 180 относительно фазы коллекторного напряжения транзистора . Это дополнительно увеличивает коэффициент усиления дифференциального каскада.

В схемотехнике современных интегральных схем широко используется введение дополнительных транзисторов, выполняющих роль динамических нагрузок, и реже каскодное включение.