14.11. Пример проектирования линейной схемы на дискретных элементах

Давайте представим себе, что необходим малошумящий усилитель звуковых частот с огромным коэффициентом усиления (по крайней мере 80 дБ) и малым током потребления в статическом режиме, предназначенный для работы в некотором удаленном устройстве с питанием от батареи.

Поскольку уровни сигнала могут меняться в очень широком диапазоне, было бы прекрасно ввести какой-нибудь блок, обеспечивающий переключение коэффициента передачи в диапазоне, скажем, 60 дБ. Для обеспечения долговечности щелочной батареи с напряжением 9 В () мы должны отбирать от нее общий ток не более (что соответствует 3 годам ее эксплуатации), и, поскольку другие схемы, вероятно, записываются от той же батареи, мы выделим из общего бюджета ток для питания самого усилителя.

Первая вещь, о которой следует - это то, что микромощный ОУ не сможет обеспечить требуемые рабочие характеристики. Образцовый «нановат-тный» ОУ , функционирующий при токе , имеет коэффициент передачи на постоянном токе 80 дБ (мин.) и произведение усиление - полоса пропускания , т. е. на частоте его коэффициент усиления составляет только 15 (24 дБ). Мы обсудим вопросы проектирования на микромощном ОУ и основные ограничения в следующем разделе. А сейчас все, что мы должны - это то, что аспекты разработки на ОУ (связь по постоянному току, точность, компенсация единичного усиления) достаточно отличаются от того, что потребуется в данном примере, который можно сделать лучше при использовании дискретных элементов.

Давайте начнем с попытки применить «пару с последовательной обратной связью», рассмотренную в разд. 4.27. (Сверить название с приведенным в 4.27.) На рис. 14.28 показана наша первая попытка, где мы задействовали пару супер-бета малошумящих транзисторов при комбинированных коллекторных токах в с расчетным коэффициентом передачи , равным 200 (46 дБ). Структура цепи смещения не показана. Ток покоя транзистора устанавливается с помощью выбора падения напряжения на резисторе , а резистор задает коллекторное напряжение транзистора , поскольку определяет его ток покоя.

Рис. 14.28.

Сами внутренние эмиттерные сопротивления достаточно большие и равны соответственно 12 кОм и 8 кОм, как плата за малые коллекторные токи.

Два таких каскада при их коэффициенте передачи 90 дБ и токе покоя , кажется, могли бы решить эту задачу, вероятно, потребовалось бы установить на выходе эмиттерный повторитель. Однако, как мы упомянули ранее, влияние емкости может быть разрушительным для схем с малыми токами и высокими значениями полного сопротивления. Давайте рассмотрим, что делает емкость с рабочими характеристиками этой схемы.

Для оценки эффекта Миллера необходимо выяснить, как коэффициент усиления по напряжению распределяется между этими двумя транзисторами. Транзистор имеет сопротивление кОм, так что его коэффициент усиления по напряжению составит приблизительно 85; первый каскад с эмиттерной обратной связью дает коэффициент усиления приблизительно 2,4. Во втором каскаде с высоким коэффициентом усиления эффект Миллера может преобладать и определять спад частотной характеристики усилителя. Действительно, для нашего случая транзистор имеет при напряжении В, которая действует как входная емкость на землю в цепи базы.

(см. оригинал)

Рис. 14.29. Микромощный усилитель звуковых частот с высоким коэффициентом усиления. Ключи на полевых транзисторах позволяют вводить затухание, начиная с максимального усиления, как показано.

Реактивное сопротивление этой емкости Миллера равно значению сопротивления на частоте и может вызвать на этой частоте спад частотной характеристики в 3 дБ при отсутствии общей отрицательной обратной связи. С обратной же связью спад частотной характеристики начинается выше приблизительно с частоты , что неудовлетворительно для усилителя звуковых частот, в идеальном случае она должна быть плоской до частоты .

Решение этой проблемы основано на том, чтобы понять, что здесь «убийцей» является емкость (из-за эффекта Миллера) и использовать тогда транзистор с очень низким значением . Сам -транзистор представляет собой удачный выбор, малошумящий ОВЧ-усилитель с высоким коэффициентом усиления и с при напряжении 2 В. На рис. 14.29 показана итоговая схема с каскадным включением двух пар с последовательной обратной связью и выходным эмиттерным повторителем. Вторая пара имеет большее значение резистора в цепи эмиттера для надлежащего смещения при связи по постоянному току с первым каскадом. Переключение коэффициента передачи сделано с помощью КМОП-матрицы ключей , которая имеет низкий уровень шума и хорошую внутреннюю изоляцию между ключами. Развязка источника питания является хорошей идеей для схемы усилителя с высоким коэффициентом передачи, подобному этому. В том случае, когда все ключи замкнуты, этот усилитель имеет коэффициент передачи 90 дБ (переключаемый до 30 дБ при различных комбинациях в замыкании ключей), ширину полосы пропускания и приведенное ко входу напряжение шума при полном сопротивлении источника 50 кОм его шум-фактор составляет 1,1 дБ. Для сравнения стоит указать, что КМОП ОУ , который мы рассматривали вначале, имеет на 20 дБ больший уровень шума даже прекрасный биполярный ОУ фирмы имеет при токе питания и произведение усиление - полоса пропускания (что обеспечивает скудное усиление только 2 дБ на частоте ). Для этой прикладной задачи технические приемы проектирования на дискретных элементах являются обязательными.

Может показаться парадоксальным применение ОВЧ-транзисторов в диапазоне звуковых частот, но наш пример продемонстрировал, что это дает хороший эффект. В справочных пособиях по РЧ можно найти несколько таких «драгоценностей». Например, транзистор MRF9331 имеет при напряжении 0 В и частоту при токе . Эти приборы ориентированы для работы при низких значениях напряжений и токов и предназначены для питаемых от батарей систем связи. Например, при реальных измерениях транзистор MRF9331, который функционирует при В, имеет при токе 10 нА и - при .