Характеристики исследуемого усилителя без ОС

Усилитель, исследуемый в работе (рис. 6.2), состоит из трех каскадов (дифференциального на транзисторах VT1 и VT2, транслятора уровня VT3, эмиттерного повторителя VT4) и представляет упрощенный вариант операционного усилителя.

Дифференциальный каскад обеспечивает высокое усиление схемы. Он удобен также и тем, что имеет два входа, на один из которых, например “Вх1”, можно подавать входной сигнал e_Г, а на второй –“Вх2”– сигнал обратной связи e_ОС(u_ОС).

Дифференциальный каскад имеет в цепи эмиттеров транзисторов VT1 и VT2 резистор R_Э1 с высоким значением сопротивления. При подаче входного сигнала е_Г ток через R_Э1 практически не изменяется. Входной ток протекает фактически по цепи Б1—Э1—Э2—Б2. При этом изменения базовых токов транзисторов VT1 и VT2 оказываются почти равными по

Рис. 6.2. Схема исследуемого усилителя (а), его обозначение (б)

величине, но противоположными по знаку. Используя допущения и приемы, описанные в работе №4, входное сопротивление дифференциального каскада можно выразить соотношением:

r_ВХ⁰ = r_{ВХ Э1} + r_{ВХ Б2} (b+1). (6.5)

Для полностью идентичных транзисторов VT1 и VT2 последнее выражение упрощается:

r_ВХ⁰ = 2r_{ВХ Э} =2r _{ВХ ПФ}. (6.6)

В исследуемой схеме ток I_Э через транзисторы VT1 и VT2 выбран малым, поэтому r_{ВХ Э} = r_Б + r_Э(b+1) » r_Э(b+1) имеет достаточно высокое значение, поскольку r_Э = j_т/I_Э велико. Коэффициент передачи по напряжению данного каскада, определяемый как отношение переменного напряжения на одном, из коллекторов транзисторов, например VT2, к ЭДС источника сигнала e_Г, равен

K_{U 2} = u_К2 / e_Г = i_КR_К / i_Б r_ВХ⁰ = bR_К / 2r_{ВХ Э} » R_К / 2r_Э. (6.7)

Транслятор уровня (VT3–R_Э3–ГСТ) понижает постоянную составляющую напряжения на выходе усилителя до нуля, несущественно уменьшая коэффициент передачи сигнала. Этим исключается использование разделительных конденсаторов при организации обратных связей. Коэффициент передачи по напряжению транслятора уровня составляет

K_{U 3} = K_U⁰_V3 r_{ВХ 4} / (r_{ВХ 4} + R_{Э 3}), (6.8)

и близок к единице, так как коэффициент усиления по напряжению каскада общий коллектор на транзисторе VT3 составляет

K_U⁰_V3 = (r_{ВХ 4} + R_{Э 3}) / (h_{11Б 3} + r_{ВХ 4} + R_{Э 3}) @ 1,

и r_{ВХ 4} @ (R_Н||R_{Э 4}) (b+1) >> R_{Э 3}.

Входное сопротивление транслятора уровня достаточно высоко и поэтому он практически не шунтирует выход дифференциального каскада.

Эмиттерный повторитель VT4, включенный на выходе схемы, предназначен для уменьшения выходного сопротивления всего усилителя. Снижение r_ВЫХ уменьшает влияние нагрузки на коэффициент усиления и облегчает создание цепей обратной связи.

Можно показать, что без учета резистора R_{Э 4} выходное сопротивление повторителя равно

r_ВЫХ⁰ = h_{11Б 4} + (R_{Э 3} + r_{ВЫХ 3}) / (b +1), (6.9)

где r_{ВЫХ 3} = h_{11Б 3} + R_К /( b₃+1).

Для полной схемы r_ВЫХ = r_ВЫХ⁰ || R_{Э 4}.

Коэффициент усиления по напряжению эмиттерного повторителя VT4 составляет K_{U 4} = (R_Н||R_{Э 4}) / (h_11Б4 + R_Н||R_{Э 4}) @ 1.

Общий коэффициент усиления по напряжению всего усилителя составит

K_U⁰ = K_{U 2} K_{U 3} K_{U 4} » K_{U 2}. (6.10)

В исследуемой схеме с целью обеспечения высокого коэффициента усиления К_U⁰ сопротивление R_к взято большим. Однако при использовании двух транзисторов VTЗ и VT4 его вклад в выходное сопротивление усилителя, как видно из выражения (6.9), оказывается малым.

На выходе усилителя включен резистор R_Э4, с движка которого снимеется напряжение на "Выход 2". Изменяя положение движка, можно изменять коэффициент передачи по напряжению всего усилителя от нуля до максимума, (но одновременно существенно изменяется выходное сопротивление усилителя по "Выходу 2").