Транзисторные структуры – экономичные усилители Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Транзисторные структуры -экономичные усилители

Прищепов Г. Ф. [email protected])

Таганрогский государственный радиотехнический университет

Синтез структур. Если в автономном усилительном каскаде (рис.1) выделить функциональное ядро (транзистор, резистор, конденсатор) и вспомогательные цепи, то правило синтеза транзисторных структур можно выразить следующим образом: из совокупности автономных каскадов удалить вспомогательные цепи, заменить их системой связей функциональных ядер. Свойства полученных таким образом структур определяются особенностями группового взаимодействия транзисторов.

Многокаскадные усилители с минимальным количеством деталей на базе транзисторных структур получаются за счет совмещения функций элементов. Так, сравнивая каскады структуры рис.2 с автономным каскадом рис.1, отмечаем, что емкости в эмиттерах 1, 2, 3, 4 питают эмиттеры переменным током, в то же время они заменяют емкости фильтров коллекторных цепей.

Количество элементов устройства уменьшается, если структура связей обеспечивает автоматическую установку режимов транзисторов. Поэтому многие структуры имеют задающие каскады, определяющие токи транзисторов. Например, токи последовательных цепей транзисторов структуры рис.2 задаются током транзистора 1. В других структурах большую роль играет обмен токами баз транзисторов. Так, в структуре рис.3 токи комплементарных транзисторов 2, 4 будут одинаковыми, если равны токи баз и коэффициенты усиления токов всех транзисторов.

Эффективны самосмещающиеся соединения транзисторов, в которых напряжение база-коллектор одного транзистора обеспечивается напряжением база-эмиттер и напряжениями эмиттерной цепи соседнего транзистора [1, 2, 3]. Полезна группировка транзисторов структур по определенному признаку. Так в группах транзисторов 1, 3 и 2, 4 структуры рис.5 параметры однотипных транзисторов должны быть одинаковыми. Тогда и режимы транзисторов окажутся одинаковыми, а общая отрицательная обратная связь каскадов - эффективной. Симметричные структуры (рис.12, 13) строятся из одинаковых частей.

Совмещение функций элементов возможно и на уровне подсхем. На рис.4 эмиттерный повторитель из транзисторов 1, 3 встроен в усилитель, состоящий из транзисторов 5, 4, 2. Этот принцип распространяется на синтез устройств с минимальным количеством элементов, полученных "боковой сшивкой" активных многополюсников (рис.15).

Миниатюризация УРУ. Транзисторные структуры позволяют уменьшить вес и габариты усилителей с распределенным усилением (УРУ). Размеры УРУ определяет ЬС-тело усилителя, т.е. линии, по которым протекают переменные токи транзисторов. Емкости транзисторов как бы растворяются в линиях и не влияют на форму амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) усилителя [3, 4]. Аналогично синтезируется КС-тело для широкополосного усилителя (рис.6). Это многозвенный делитель напряжения или пассивная RC-линия по терминологии Эльвина Скотта [6]. При равенстве постоянных времени горизонтальных и вертикальных звеньев линии, при режиме компенсации (к) коэффициент передачи по напряжению К не зависит от частоты (рис.7). Если увеличить постоянную времени вертикального звена, то наблюдается режим недокомпенсации (нк), а если уменьшить постоянную времени -режим перекомпенсации (график пк, рис.7). Активная линия (АКС-линия) образуется при подключениях в места 1, 2... рис.6 транзисторов. Емкости транзисторов как бы

растворяются в такой линии, полоса рабочих частот достигает предельной частоты усиления транзисторов. Пример реализации широкополосного усилителя [7] показан на рис.8. Усилитель выполнен из двух ARC-линий. Эмиттеры транзисторов 1, 3, 5 и транзисторов 2, 4, 6 получают переменные токи через конденсаторы от автономных шин (проводников). Генератор сигнала имеет собственную шину (проводник Г-0). Три шины объединяются в узле 0. Обозначив знаками плюс, минус мгновенные полярности напряжений и стрелками - направления токов, убеждаемся, что такая конструкция общего проводника ("земли") создает две однонаправленные, невзаимные ARC-линии. Указанная группировка каскадов по синфазному признаку, питание их переменными токами от автономных шин, гарантирует устойчивость усиления структуры [6]. Такой усилитель не требует экранов, перегородок между каскадами, удобен для миниатюризации.

Селективное усиление. Частотные характеристики пассивной и активной линий отличаются (рис.7, 9). Низкочастотный спад АЧХ (НЧ на рис.9) смещается влево при уменьшении емкостей, питающих эмиттеры. Высокочастотный спад (ВЧ) появляется вследствие инерционности транзисторов. При питании транзисторов через малые емкости и в режиме перекомпенсации ARC-линии получаем квазирезонансные АЧХ (график КР на рис.9) с добротностью порядка 100 на частотах, измеряемых десятками МГц [11, 12]. На основе широкополосной структуры рис.8 можно выполнить серию селективных RC-усилителей для частот 1...2000 МГц с различными формами АЧХ [1, 12].

Проблема «мощность-частота». Транзисторные структуры позволяют решить проблему, известную в электронике как "порочный круг мощность-частота". Дело в том, что, увеличивая ток и напряжение транзистора в погоне за мощностью и полосой пропускания, мы увеличиваем количество тепла, рассеиваемого коллектором транзистора. Поэтому приходится расширять площадь коллектора. Но в результате растут емкости транзистора, а верхняя частота полосы пропускания не улучшается.

Используя групповое взаимодействие транзисторов, можно сконструировать мощный широкополосный каскад в два этапа. Вначале создается групповой генератор ВЧ-тока из маломощных, малоемкостных, низковольтных ВЧ-транзисторов (рис.10). Затем этот генератор тока (он обозначен кружком на рис.11) соединяется с последовательной цепью транзисторов, с высоковольтным усилителем У, с эмиттерным повторителем ЭП.

В генераторе тока рис.10 транзисторы 1, 2 соединены по схеме Дарлингтона, но элементы эмиттерных цепей выбираются так, что переменные токи транзисторов оказываются одинаковыми. Если в нижней группе применить да-штук транзисторов, то да-токов суммируются в общем коллекторе К генератора ВЧ-тока. Входная емкость схемы Дарлингтона невелика и дополнительно уменьшается с помощью эмиттерных повторителей на транзисторах 3, 4 (это составные транзисторы Грибанова [13]). Здесь входной сигнал повторяется в эмиттере транзистора 3, на коллекторе транзистора 1 и таким образом компенсируется емкость база-коллектор этого транзистора. Для ограничения утечки ВЧ-тока по проводам, подключенным к базам транзисторов, применены резисторы R >> RK.

Удлиненные транзисторы. На рис.11 индексом У выделен высоковольтный усилитель - составной транзистор И. Ф. Николаевского [8]. Это последовательная цепь транзисторов с делителем из резисторов R, распределяющим переменное напряжение коллекторной нагрузки между базами. Аналогично строится высоковольтный эмиттерный повторитель ЭП [10]. Базы транзисторов У (5, 6) специально изображены на одной горизонтали, на одной эквипотенциальной линии с базами транзисторов ЭП (3, 2), поскольку возможно объединение баз, обмен токами, баланс базовых токов цепей. Тогда для усилителя У и эмиттерного повторителя ЭП достаточно общего высокоомного делителя [9, 10] (фрагмент ВУ на рис.15). Переменное напряжение

нагрузки при таком объединении равномерно распределяется между транзисторами цепей.

Транзисторы последовательных цепей работают как единый прибор: если генератор тока задает нижнему транзистору приращение тока, то верхние и-штук транзисторов перебрасывают это приращение тока в нагрузку R. Приращение напряжения нагрузки распределяется делителем между транзисторами. Описанный процесс тем точнее, чем больше коэффициент усиления тока транзисторов. Цепи рис.11 назовем удлиненными транзисторами (УТ). Геометрическая длина УТ может превышать длину волны Я рабочей частоты.

Исследование утечек ВЧ-тока с нагрузки усилителя рис.11 через емкости база-коллектор и база-эмиттер транзисторов показывает [10], что высокоомный делитель-распределитель напряжения из резисторов R ограничивает ток через емкости база-коллектор. Кроме того, переменное напряжение базы любого транзистора повторяется в его эмиттере и таким образом компенсируются емкости база-эмиттер. Возможна утечка ВЧ-тока лишь через последовательно включенные емкости коллектор-эмиттер. Но эти емкости малы: даже для мощных транзисторов они не превышают 0,1 пФ.

Удлиненные транзисторы открывают новые возможности для коррекции АЧХ. Так, продвигаясь по узлам последовательных цепей рис.11, мы обнаруживаем небольшие фазовые сдвиги напряжений, соединяя узлы емкостями 1...10 пФ, находим связи, расширяющие полосу усиливаемых частот в несколько раз [10].

Симметричные транзисторные структуры находят широкое применение. Хороший пример тому - классический дифференциальный усилитель (Д-усилитель рис.12). Он составлен из двух одинаковых каскадов, соединенных в узлах А, В. Если на вход 1 подать положительное приращение напряжения, то ток левого каскада увеличится, а ток правого каскада уменьшится на одну и ту же величину. Поэтому говорят, что один эмиттер питается переменным током от другого эмиттера, что переменный ток не вытекает за пределы контура АВ, что наблюдается подавление синфазных помех входов 1, 2, если усиленный сигнал снимать с коллекторов 1, 2 и т.д.

Дифференциальные каскады многокаскадного усилителя можно построить на комплементарных транзисторах (КД-каскады рис.3). Здесь обеспечивается автоматическая установка режимов транзисторов. Питание баз каскадов переменным током осуществляется через один общий конденсатор, колебательный контур и т. п. Этот общий элемент и определяет АЧХ каждого каскада структуры [3].

Следуя логике построения симметричных транзисторных структур, создадим симметрично-комплементарный дифференциальный усилитель (СКД-усилитель или мостовой усилитель рис.13). При работе в режиме класса В, при большом сигнале положительный полупериод синусоидального напряжения, приложенного ко входам 1, 2, увеличивает ток эмиттеров 1, 4. Транзисторы 2, 3 в это время закрыты. Отрицательный полупериод входного сигнала увеличивает токи транзисторов 2, 3, но закрывает транзисторы 1, 4. Приращения эмиттерных токов протекают слева направо, а затем справа налево через эмиттерную нагрузку, в данном случае, через емкость С. На нагрузке суммируются положительный и отрицательный полупериоды напряжения сигнала. Левая и правая пластины конденсатора С заряжаются симметрично, потенциал центральной точки М не изменяется. Заряженный от эмиттеров 1, 4, конденсатор С легко разряжается через эмиттеры 2, 3. Чувствительность усилителя после прохождения большого сигнала мгновенно восстанавливается. Если на вход 1 подать положительный скачок напряжения и выбрать малую емкость конденсатора С, то на коллекторах 1, 4 обнаружим всплески продифференцированного входного сигнала.

Макроконструкции для усилителей высоких частот (ВЧ). Если заменить четыре транзистора СКД-усилителя удлиненными транзисторами (УТ1 - УТ4, выполненными по рис.10, 11), то получим мощные широкополосные каскады. Они способны работать на резистивную или емкостную нагрузку в режиме класса В, АВ с

хорошим коэффициентом полезного действия и минимальными нелинейными искажениями.

Если УТ с токами противоположных направлений расположить рядом (УТ1 + УТ4; УТ2 + УТ3 рис. 13) на расстояниях ё: ё << X/4 , Х = с //,

объединить их в неизлучающую линию с распределенными параметрами, то излучение частоты / в окружающую среду окажется минимальным. В таком варианте длина конструкции может превышать X рабочей частоты усилителя. Так создаются макроконструкции ВЧ-усилителей. Транзисторы можно снабдить радиаторами, применить жидкостное охлаждение и т. п. Мощные СКД-каскады на удлиненных транзисторах - достойные конкуренты высоковольтным высокочастотным электровакуумным приборам.

Минимизация числа элементов. Транзисторные структуры эффективны при миниатюризации радиоэлектронных устройств. Сложные устройства обычно строят из операционных усилителей (0У); создают функциональную схему, игнорируя внутреннее содержание ОУ-четырехполюсников. При этой ситуации возникает "синдром тирании количества элементов", невысокая надежность устройства.

Рассмотрим синтез устройств методом "боковой сшивки" структур-многополюсников. В транзисторных структурах (рис.2, 3) легко выделяются TR-блоки (активные многополюсники АМП) и RC-цепи (пассивные многополюсники ПМП). Пассивные RC-цепи подключаются к эмиттерам АМП (рис.14,а), они питают эмиттеры перемененными токами.

При "сшивке многополюсников" образуются квазирезонансные каскады (рис.14,б). Частотные характеристики этих каскадов неотличимы от АЧХ колебательных контуров, если постоянные времени коллекторных и эмиттерных цепей (2и 22) одинаковы [11, 1]. В однородной усилительной структуре с регулярными обратными связями между транзисторами АЧХ каскадов перемножаются и взаимодействуют как в многозвенных фильтрах [1]. Настраивать АЧХ усилителя можно измерением параметров RC-цепей ПМП, введением емкостных связей между узлами и т. п. При этом выявляются центры регулировки (на рис.14 это переменное сопротивление). Открывается возможность изменения параметров всех транзисторов с помощью задающего каскада (каскад 1 на рис.2) а также изменением напряжения питания (Е на рис.14,а). В результате можно управлять формой АЧХ устройства [12].

На рис.15 показан приемник радиоимпульсов, построенный из нескольких структур-многополюсников. Здесь УПЧ - усилитель радиоимпульсов промежуточной частоты; ЛД - детектирующие каскады, обеспечивающие приемнику лагарифмическую амплитудную характеристику; ВУ - видеоусилитель и эмиттерный повторитель, работающие на емкостную нагрузку (электронно-лучевую трубку).

Физика транзисторных структур недостаточно изучена, слабо используется при конструировании электронных устройств. Пример тому - дифференциальный усилитель рис.12. Стабильность постоянного напряжения по его выходу К1-К2, подавление синфазных помех, все это - эффекты одинаковости ВАХ транзисторов. Но можно обеспечить усилителю и стабильность усиления, и неискаженное воспроизведение сигналов. Достаточно потребовать одинаковости ВАХ переходов БЭ транзисторов и ... ВАХ коллекторных нагрузок. Иначе говоря, надо заменить резисторы последовательными цепями из N штук диодов-транзисторов [14]. На рис.16а показан принцип компенсации нелинейных искажений усиливаемого сигнала. Пилообразное входное напряжение и1 в соответствии с ВАХ перехода БЭ транзистора 1 вызывает экспоненциальные импульсы коллекторного тока. Коллекторная нагрузка каскада - N штук диодов-транзисторов (показано N=2). Важно, что ВАХ диодов идентичны ВАХ перехода БЭ. Поэтому выходное напряжение и2 исправлено, нелинейность компенсирована. Объект рис.16а можно назвать TND-каскадом.

Дифференциальный усилитель (рис.16б) составлен из двух ТКО-каскадов. В эмиттеры и коллекторы добавлены резисторы R, NR, генератор тока 7. Испытания показывают идеальную стабильность усиления

(К = К) в диапазоне температур и равномерность АЧХ каскада до частот 0,5 /а.

Заключение. Уникальность транзисторных структур в том, что они оказывают помощь как при создании миниатюрной экономичной аппаратуры, так и при построении мощных высокочастотных устройств и т. п. В любом случае функция обеспечивается за счет рационального взаимодействия транзисторов структуры. Вполне вероятно, что успехи радиоэлектроники определит наука, которую можно назвать физикой электронных структур.

Литература.

1. Прищепов Г. Ф., Прищепова Т. М. Транзисторная структура для экономичных усилителей // Полупроводниковая электроника в технике связи / Под ред. И.Ф. Николаевского. М.: Связь, 1978. Вып. 19. С. 23-35.

2. Чаповский М. З. Улучшение качественных показателей транзисторных усилителей. М.: Связь, 1968. С. 71.

3. Прищепов Г. Ф., Прищепова Т. М. Транзисторная структура для симметричных усилителей. // Полупроводниковая электроника в технике связи / Под ред.

И.Ф. Николаевского. М.: Связь, 1978. Вып. 19. С. 35-45.

4. Эрглис К. Э., Степаненко И. П. Электронные усилители. М.: Наука, 1964. С. 334-335.

5. Кузьмин А. А. Маломощные усилители с распределенным усилением. М.: Советское радио, 1974, 224 с.

6. Э. Скотт. Волны в активных и нелинейных средах в приложении к электронике. - М.: Советское радио, 1977. С. 21-24.

7. А.с. 1504787 СССР МКИ И03Б 3/42 Широкополосный RC-усилитель. Прищепов Г. Ф. (СССР). № 4349363/24-09: Заявл. 24.12.87: Опубл.30.08.89. Бюл. №32.

8. Николаевский И. Ф. Эксплуатационные параметры и особенности применения транзисторов. М.: Связьиздат, 1963. С. 92.

9. А.с. 1350820 СССР МКИ И03Б 3/2 Усилитель. Прищепов Г. Ф. (СССР). № 3961016/24-09: Заявл. 01.10.85: Опубл. 07.11.87. Бюл. №41.

10. Прищепов Г. Ф. Каскады с удлиненным транзистором // Полупроводниковая электроника в технике связи / Под ред. И. Ф. Николаевского. М.: Радио и связь, 1990. Вып. 28. С. 50-53. Примечание: на рис.5 [10] должно быть УТ1-3 = рпр; УТ4-6 = прп

11. Москвитин В. И. Об использовании квазирезонанса в транзисторных RC-усилителях //Радиотехника, 1976, № 9. С. 67-71.

12. Прищепов Г.Ф., Прищепова Т. М. Экономичные пленочные УПЧ // Микроэлектроника и полупроводниковые приборы / Под ред. А.А. Васенкова и Я.А. Федотова. М.: Радио и связь, 1981. С. 229-233.

13. Грибанов Ю. И. Измерение напряжений в высокоомных цепях. М.: Госэнергоиздат, 1961. С. 40.

14. Прищепов Г. Ф., Прищепова Т. М. Многокаскадный усилитель. Патент РФ RU 2183380. Опубл. 10.06.2002 Бюл. №16.

\ Выход \

Вход

Рис.1. Автономный усилительный каскад

I

+Е

С

1 ОМО^

с

3

I--•

- Е

- Е

Рис.2. Последовательно-балансное соединение каскадов

-Е

1

2

Рис.3. КД-каскады

Рис. 4. Объединение усилителя и повторителя

Рис. 5. Четырехкаскадный усилитель

2Г , 2В

<н

2 3 ... П

2Г

2в

±

Рис. 6. Многозвенная RC - линия

к=1

нк

0 / Рис. 7. АЧХ пассивной RC - линии

Рис. 8. УРУ из двух ЛВС - линий

К

КР

100%

70%

нч вч

пк

к

Рис. 9. АЧХ активной RC - линии

+ Е

1

К

Е

Б

R

R

©

Е

т

г

Э

Г

Rк RЭ

У

ЭП

т

Рис.10. Групповой генератор тока

Рис.11. Усилитель и эмиттерный повторитель на удлиненных транзисторах

I

+

в

К5МР

Вх.1

Вх.2

Н5>

Вх.1

I—°

+

1 3

С-От __

с

2 4

X

+

3

4

2

1

1

2

2

1

Рис.12. Д - усилитель

Рис.13. СКД - усилитель

TR

RC

А:

41-

ДR

1 п /

Рис. 14. Синтез устройства боковой сшивкой многополюсников.

1

УПЧ

ЛД

Л Г-

1-1

ВУ

ч

<

<

+ Е

Выход

>—КГ

€

<

>

<

г4^ -

Вход

1X1

Рис. 15. Транзисторная структура -приемник радиоимпульсов.

Рис.16а. ТЫЫО-усилитель с компенсаций нелинейных искажений

Рис.16б. Дифференциальный усилитель неискажающий, стабильный