УДК 621.

375.4
ПРИЩЕПОВ Г. Ф.
ШИРОКОПОЛОСНЫЕ
УСИЛИТЕЛИ С «УДЛИНЁННЫМи»
ТРАНЗИСТОРами
Рассмотрим способ расширения
полосы частот усилительного каскада с помощью последовательных цепей из
транзисторов. Каскады, а точнее, структуры, содержащие последовательные цепи
транзисторов, известны с начала 1970-х годов [1—3]. Такие структуры отличаются
чётко выраженным групповым взаимодействием элементов, что упрощает их анализ
[4]. Далее при расчетах предполагаем, что транзисторы структур одинаковые, что ток управляющего электрода транзисторов
близок к нулю, т. е. транзисторы либо униполярные, либо биполярные с высоким
коэффициентом усиления тока b и пренебрежимо малым током насыщения
переходов база-коллектор.
Для последовательных цепей рис.
1—5 можно отметить следующие закономерности. Ток каждого транзистора равен току
первого (нижнего), задающего каскада. Задающий каскад на рис. 1, 3 изображен
генератором тока. Напряжение база-эмиттер транзисторов цепи устанавливается
автоматически в соответствии с током задающего транзистора. Постоянное
напряжение U2 (рис. 1)
повторяется в эмиттере VT2 достаточно точно, а приращения U2 - ещё точнее
UЭ2 = U2 — UБЭ2 ,
DUЭ2 / DU2 = k = rк / [ rк+ rэ+ rб (1 - a )] » 1. (1)
Здесь rк, rэ, rб, a —
параметры Т-образной эквивалентной схемы транзистора.
Если транзистор последовательной цепи шунтируется резистором RШ, как на рис.2,
то можно установить новые токи при выбранных величинах U, I , RШ
I Ш = U RШ, IЭ = I - IШ
(2)
Напряжение коллектор-эмиттер для транзисторов
последовательной цепи (рис.3) распределяется с помощью делителя из резисторов
RД = R1 + R2
+ R3.
(3)
Усиление переменного напряжения, поданного на вход
задающего каскада для структуры рис. 3 такое же, как для одиночного
каскада: S – крутизна ВАХ VT1,
К = DUН / DUБЭ » SRН ; I = a / rэ + rб (1 — a); RН
= RКRД /(RК + RД ). (4)
Это означает, что приращение тока задающего каскада DI тран­зисторы
передают в нагрузку RH, а
приращение напряжения наг­рузки равномерно распределяется между транзисторами с
по­мощью делителя:
DUН = DI RH, = n DUКЭ при R1 = R2 = … = R и DIБ » 0.
(5)
При этом n — число транзисторов последовательной цепи. Отрица­тельная
обратная связь, типичная для соединения коллектора с ба­зой в одиночном
каскаде, здесь, в последовательных цепях из транзисторов (рис.3), не
работает, поскольку эмиттерные и
коллекторные токи транзисторов не могут отличаться от токов задающего каскада.
Таким образом, рассматриваемые структуры представляют собой специфические
многоэлектродные приборы - «удлинённые» транзисторы, выполняющие функцию
передачи DI задающего каскада в нагрузку и распределения напряжения DUН между собственными элементами.
В соответствии с (5) структура рекомендована в
качестве высоковольтного каскада [2]. Другое полезное свойство структуры
выявляется при анализе утечки высокочастотной энергии с выхода (RК) на «землю» через
ёмкости база-эмиттер (C1), база-коллектор (C2) и коллектор-эмиттер (C3)
транзисторов – рис.4.
Переменное напряжение на емкости база-эмиттер в соответствии с (1) близко к нулю
(i1 » 0).
На емкости база-коллектор имеется переменное напряжение, но ток i2 определяется сопротивлением
делителя. Достаточно выбрать RД
» RК, чтобы уменьшить
утечку высокочастотной энергии через ёмкости база-коллектор транзисторов.
Ёмкости коллектор-эмиттер не компенсируются, но их шунтирующее действие на
нагрузку ослабляется в n раз за счет
последовательного включения п штук
транзисторов.
Влияние емкости нагрузки СН на RK можно ослабить с по­мощью эмиттерного повторителя на
«удлинённом» транзисторе (рис. 5). Здесь предложен повторитель, аналогичный
«катодному повторителю п-го порядка»
[1, 3]. Эмиттерный повторитель выполнен на п-р-n
транзисторах для удобства соединения с р-п-р транзисторами усилителя. Применена
известная компенсация ёмкости база-коллектор транзистора VT4 [1]: переменное
напряжение нагрузки через конденсатор С4
и транзистор VT5 возвращается на коллектор VT4.
Эффективность трансформации емкости нагрузки СН для RK (рис. 5) и уменьшениее утечки высокочастотной
энергии с RK через
ёмкости транзисторов выяснены
экспериментально с помощью пробного
конденсатора 82 пФ, подключаемого к разным узлам схемы. Экс­периментальные
амплитудно-частотные характеристики нормированного коэффициента передачи по
напряжению нумерованы на рис. 6: 1— нет пробного конденсатора 82 пФ;
2— конденсатор подключен к зажимам база-коллектор VT3; 3— конденсатор подключен
к зажимам база-эмиттер VT3; 4— конденсатор включен параллельно R3, моделируется
емкость нагрузки Сн; 5— конденсаторы 82 пФ подключены к зажимам
коллектор-эмиттер транзисторов VT2 и VT3; 6— конденсатор шунтирует зажимы
база-коллектор VT4, но одновременно применяется нейтрализа­ция с помощью С4 = 68 пФ; 7—
конденсатор 82 пФ шунтирует резистор
RK = l
кОм.
Номиналы элементов схемы рис. 5
определены в приложении. Сопротивление источника сигнала в опытах 50 Ом, сигнал
подается на вход через конденсатор 10 мкФ. Элементы R0 и С0
подобраны таким образом (100 Ом, 91 пФ), что исходная АЧХ (№ 1 на рис. 6)
равномерна до
50 МГц.
Если выполнить обычный каскад с
нагрузкой RK = 1 кОм, с коррекцией R0 C0 и
шунтировать RK
конденсатором 82 пФ, то амплитудно-частотная ха­рактеристика каскада совпадает
с графиком 7 рис. 6 .
На рис.5 между базами
Б3-Б5, Б2-Б6 пунктиром отмечены линии равного потенциала. Это означает, что
можно соединить Б3 с Б5, Б2 с Б6;
удалить R3, R5, R6 и получить общий
делитель-распределитель напряжения R1,
R2, R4 для VT1 – VT6 [5]. В каскадах
рис.5 выгодно использовать микросхемы (сборки транзисторов). Отметим, что кроме коррекции АЧХ (R0 C0)–цепочкой,
можно подстраивать форму АЧХ, соединяя базы транзисторов небольшой емкостью 5 – 20 пФ.
Заключение: с помощью
последовательных цепей из тран­зисторов, применяемых в усилителях и эмиттерных
повторителях, удается в 5... 10 раз расширить полосу рабочих частот по
сравнению с каскадом на одном транзисторе.
Приложение
1: расчет
элементов схемы рис. 5
1. Применены транзисторы с b
= IК
/ IЭ = 100: ГТ-З11И,
ГТ-313Б;
выбраны токи IЭ1
= IЭ4 = I = 2 мА
;
токи делителей
R1…R5 и RБ
, RСМ при условии
IД » IБ ; IД
= 0,3 мА.
2. Напряжения база-эмиттер транзисторов по их
вольтамперным характеристи­кам
получены UБЭ = 0,3 В.
Выбраны резисторы: Rк = 1
кОм, R0 = 0,1 кОм.
3. Резисторы
для VT1, VT4:
RБ = (UБЭ + I R0 ) / IД = 1650 Ом; RЭ = [Rк (I +
IД) — UБЭ ] / (I + IД ) = 870 Ом.
4.
Выбор напряжения делителя R1, R2, R3:
U = 9 В; расчет
сопротивления делителя RД
= U / IД = 30 кОм. Сопротивления делителя
R4, R5, R6 для эмиттерного
повторителя выбираем таким же. Поскольку напряжение этого делителя близко к 9 (и равно 9,3 вольт), ток делителя около
0,3 мА.
5. Расчет напряжения источника питания: Е = U
+ RK ( I + IД )
» 12 В.
6.
Резистор для смещения VT1:
RСМ = (E — IД RБ ) / ( IД + IБ ) = 36 кОм.
7. Оценка коэффициента усиления по напряжению
делается в предположении, что RК практически
не шунтируется делителем и входным сопротивлением эмиттерного повторителя:
К » RK / (R0
+ rЭ ), rЭ » 26 / IЭ [Ом, мА], К » 8,8.
Приложение
2: что такое каскод,
НЕкаскод,
составной транзистор?
Классический
каскодный усилитель (каскод) из транзисторов одного типа проводимости (pnp) показан на рис.7. Формула каскода: ОЭ + ОБ; К1
= Э2. Если усиление токов транзисторов b велико, то
имеем следующие свойства каскода: 1—
токи транзисторов одинаковы; 2—
усиление напряжения К определяется крутизной
S VT1 и коллекторной нагрузкой R
VT2 К = SR; 3— усиливаются только электрические шумы VT1, шумы VT2 не вызывают тока Э2; 4—
высокочастотная энергия с выхода не может проникнуть на Б1 через ёмкости К2Б2
— Б2Э2 —К1Б1, поскольку на её пути есть ZC = 0. Это гарантирует
устойчивость усиления каскода. Каскод
рекомендован как усилитель ВЧ малошумящих радиоприемников.
Усилитель
рис.8, построенный из комплементарных (pnp
+ npn транзисторов) есть НЕкаскод, поскольку лишён свойств 2 и 3. Усилитель рис.9, у которого нагрузкой pnp-транзистора VT1 служит npn-транзистор
VT2 тоже НЕкаскод: здесь нет
свойств 1— 4.
Таким
образом, какие угодно последовательные цепи из транзисторов нельзя
классифицировать фразой «все они КАСКОДЫ».
Надо говорить об «удлинённых
транзисторах», составных транзисторах
и т. д.
Список
литературы
1. Грибанов
Ю. И. Измерение напряжений в высокоомных цепях. —
М.-Л.: Госэнергоиздат, 1961. — 72 с.
2. Лурье О. Б.
Усилители видеочастоты. — М.: Советское радио, 1961, 676 с.
3. Ложников А.
П., Сонин Е. К.
Каскодные усилители. — М.-Л.:
Энергия 1964.
4. Прищепов Г. Ф., Прищепова Т. М. Расчет
последовательных цепей из транзисторов.
— Полупроводниковые приборы в
технике электросвязи / Под ред. И. Ф. Николаевского. — М.:
Связь, 1971. — Вып 7. — С. 93—106.
5. А.с. 1350820 СССР МКИ H03F 3/2 Усилитель. Прищепов
Г. Ф. (СССР).
№ 3961016/24-09: Заявл. 01.10.85: Опубл. 07.11.87. Бюл. №41.
6. Прищепов Г. Ф. Каскады с
«удлинённым» транзистором // Полупроводниковая электроника в технике связи /
Под ред. И. Ф. Николаевского. М.: Радио и связь, 1990. Вып. 28. С. 50-53. Примечание: ошибки рисунка 5 из цитируемой
работы [6] здесь исправлены.
Автор:
Геннадий Фёдорович Прищепов, E-mail – rpru@tsure.ru