Книга: Схемотехника аналоговых электронных устройств

3.2. Последовательная ООС по току 

3.2. Последовательная ООС по току 

Схема каскада с последовательной ООС по току (ПООСТ) на ПТ с ОИ приведена на рисунке 3.3.

Рисунок 3.3. Каскад на ПТ с ПООС

При ПООСТ в выходной цепи усилителя последовательно с нагрузкой включается специальная цепь (на рисунке 3.3 это R_осC_ос), напряжение на которой U_ос пропорционально выходному току. Во входной цепи усилителя U_ос алгебраически складывается с входным напряжением. В области СЧ (C_ос=0) можно записать

K_0ОС = K₀/F = K₀(1 + ?K₀).

Проведя анализ каскада по методике подраздела 2.3, получим:

K_0ОС = K₀/F = K₀(1 + S₀R_ос).

Поскольку K₀=S₀R_экв (см. подраздел 2.9), то при глубокой ООС (F>10) K₀?R_экв/R_ос. Из полученного выражения следует, что ПООСТ обеспечивает стабильность усиления по напряжению при условии постоянства нагрузки.

С помощью ПООСТ удается уменьшить нелинейные искажения в УУ, поскольку с увеличением F будет уменьшаться напряжение управления усилителем, его работа станет осуществляться на меньшем участке ВАХ активного элемента (транзистора), а это приведет к уменьшению коэффициента гармоник. В подразделе 8.1 приведены расчетные соотношения для коэффициента гармоник усилителя, охваченного ООС последовательного типа. Приближенно оценить влияние ПООСТ на коэффициент гармоник можно по соотношению:

K_гОС = K_г/F.

Все вышесказанное в равной мере относится и к каскаду на БТ с ОЭ и ПООСТ (схема каскада не приводится ввиду идентичности ее топологии схеме рисунка 3.3).

Входное сопротивление усилителя с ООС определяется способом подачи напряжения ОС во входную цепь. Согласно элементарной теории ОС, ПООСТ увеличивает входное сопротивление усилителя в F раз, т.е.

R_вхОС = R_вх·F.

Выражение для входного сопротивления каскада с ОЭ на БТ с ПООСТ, определенное по методике подраздела 2.3, имеет вид:

R_вхОС = R₁₂ ? [r_б + (1 + H_21э)·(r_э + ?r + R_ОС)].

При известных допущениях последние два выражения дают близкие результаты.

Входное сопротивление каскада с ОИ на ПТ определяется R_з (см. подраздел 2.9), поэтому практически не меняется при охвате каскада ПООСТ.

Выходное сопротивление усилителя с ООС определяется способом снятия напряжения ОС с нагрузки усилителя. Согласно элементарной теории ОС, ПООСТ увеличивает выходное сопротивление усилителя в F раз, т.е.

R_выхОС = R_вых·F.

На СЧ выходное сопротивление каскадов на ПТ (ОИ) и БТ (ОЭ) определяется в большинстве случаев соответственно номиналами R_с и R_к, поэтому данная ООС его практически не меняет.

На рисунке 3.3б приведена схема каскада с ОИ и ПООСТ в области ВЧ. Данный каскад еще носит название каскада с истоковой коррекцией, т.к. основной целью введения в каскад ООС является коррекция АЧХ в области ВЧ.

Поскольку цепь ООС (R_осC_ос) частотнозависима, то |F| с ростом частоты уменьшается относительно своего значения на СЧ, что приводит к относительному возрастанию |K_ОС| на ВЧ. С точки зрения коррекции временных характеристик, уменьшение t_у каскада объясняется зарядом C_ос, что приводит к медленному нарастанию U_ос, и, следовательно, к увеличению коэффициента усиления в области МВ, а это, в свою очередь, сокращает время заряда C_н, которое, собственно, и определяет t_у.

Анализ влияния ПООСТ вначале проведем для случая резистивной цепи ОС (C_ос=0). Учитывая, что крутизна ПТ практически не зависит от частоты (см. подраздел 2.4.2), можно сказать, что во всем диапазоне рабочих частот глубина ООС F=const, уменьшение коэффициента усиления по всему диапазону рабочих часто одинаково и коррекция отсутствует.

Воспользовавшись рекомендациями подраздела 2.3,получим выражение для комплексного коэффициента передачи каскада с токовой коррекцией (цепь ОС комплексная, R_осC_ос) на ВЧ:

где ?_ос=R_осC_ос.

Анализ полученного выражения упрощается в предположении ?_в=?_ОС. При этом условии имеем:

где ?_вОС=?_в/F (см. так же подраздел 2.9).

Уменьшение постоянной времени каскада в области ВЧ приводит к увеличению верхней граничной частоты f_в (уменьшению t_у) каскада. Площадь усиления каскада с ОИ и истоковой коррекцией при этом не меняется:

П_ос = K_0ОС·f_вОС = K₀·f_в.

Расчет каскада с истоковой коррекцией в области НЧ ничем не отличается от расчета некорректированного каскада за исключением того, что формула для постоянной времени цепи истока будет выглядеть иначе:

?_нИ ? C_и(1/S + R_ос).

В зависимости от цели введения ООС в каскад, глубину ООС можно определить по следующим соотношениям:

F = K₀/K_0ОС, либо F = f_вОС/f_в.

При этом R_ос=(F–1)/S₀ и C_ос=1/(?_вОС·R_ос).

Каскад с ОЭ и ПООСТ еще носит название каскада с эмиттерной коррекцией.

В отличие от ПТ, в БТ крутизна частотнозависима, поэтому даже при частотно-независимой цепи ООС (C_ос=0) наблюдается эффект коррекции АЧХ и ПХ за счет уменьшения глубины ООС на ВЧ:

где ?_вОС=?/F+?₁/F+?₂ (см. так же подраздел 2.5).

Нетрудно увидеть, что эмиттерная коррекция каскада на БТ при частотно-независимой цепи ООС (C_ос=0) эффективна при ?₂<<(?+?₁), т.е. в каскадах с малой емкостью нагрузки.

Воспользовавшись рекомендациями подраздела 2.3,получим выражение для комплексного коэффициента передачи каскада с эмиттерной коррекцией в области ВЧ:

где ?_ос=R_осC_ос, ?'=K₀R_осC_н.

Эмиттерная коррекция позволяет значительно увеличить f_в (уменьшить t_у) при заданных величинах подъема АЧХ на ВЧ (выброса ПХ ? в области МВ). Готовые таблицы и графики для расчета каскада с эмиттерной коррекцией приведены в [6].

Входная емкость каскада с ПООСТ уменьшиться примерно в F раз:

C _{вх дин ОС} = ?/r_б/F + (1 + K_0ОС)C_к ? C_{вх дин}/F.

Расчет каскада с ОЭ и ПООСТ в области НЧ ничем не отличается от каскада без ОС (следует только учитывать изменение R_вх при расчете постоянных времени разделительных цепей), исключение составляет расчет постоянной времени цепи эмиттера:

?_нэОС = C_э(1/S₀ + R_ос).

Оглавление книги