• Стандарт VXI
• Техника
• Программы
• Применение
• Библиотека

Помехи от неидеальности характеристик компонентов электронных схем: Усилительные элементы

К данной группе элементов относятся транзисторы и интегральные схемы (операционные усилители).
Для всех реальных усилительных элементов характерно наличие в них внутренних паразитных связей. Паразитные связи, определяемые конструкцией и технологией изготовления усилительных элементов, устанавливают определенную зависимость между выходом и входом элемента.

Усилительные элементы, в зависимости от схемы их включения, обладают различными частотными свойствами, которые в каждом из этих схем формируются двумя цепями: входной и выходной.
Частотные характеристики входной цепи завися от внутреннего сопротивления источника входного сигнала, входного сопротивления элемента и его суммарной входной емкости. Частотные характеристики выходной цепи усилительных элементов зависят от тока нагрузки и крутизны (коэффициента) усиления.

На примере транзисторного каскада, включенного по схеме с общим эмиттером (ОЭ), рассмотрим, характерные для всех усилительных элементов, особенности их «реальной» работы.

У каскада с ОЭ, входное сопротивление достаточно велико (>100 Ком). Основная часть входной емкости этого каскада для источника сигнала определяется динамическим увеличением в (Кu + 1) раз на высоких частотах паразитной емкости Скб, которой обладает переход коллектор-база транзистора.
Cвх=Скб(Кu + 1) ,где Ku – коэффициент усиления по напряжению)

На высоких частотах выходной сигнал инвертируется (сдвиг по фазе 1800) и приобретает задержку по фазе еще на 900 из-за спада частотной характеристики, вызванного ответвлениями выходного тока в параллельные паразитные емкости Сп (монтажная паразитная емкость). С учетом того, что за счет емкость Скб на высоких частотах возникает дополнительный сдвиг по фазе 900 и к этой емкости приложено напряжение (Ku+1)*Uc, в контуре источника сигнала (входная цепь) появляется емкостной ток положительной обратной связи Iос (из выходной цепи).

Если коллекторная нагрузка Rн имеет значительное сопротивление, то в режиме большого сигнала (особенно, если нагрузка резонансная) «пролезание» выходного сигнала во входной контур оказывается существенным и каскад может прейти в режим «паразитной» генерации. Следует отметить, что транзисторы сплавной конструкции обладают большими размерами переходов, а соответственно и большой емкостью Скб, что строить на них резонансные каскады нельзя без дополнительной, нейтрализующей обратную связь из выходного контура во входной, специально подбираемой емкости. У планарных транзисторов емкость Скб составляет единицы пикофарад, поэтому самовозбуждение каскада с ОЭ может возникнуть лишь на высоких частотах.

У операционных усилителей часто имеются специальные выводы, к которым, в зависимости от используемого частотного диапазона сигнала, фирма-изготовитель рекомендует подключать определенные корректирующие емкости, тем самым защищая ОУ от самовозбуждении.

Шумовые параметры усилительных элементов определяют из предельные разрешающие способности и в то же время являются хорошим индикатором, отражающим качество их технологического процесса (производства) и конструкции данного элемента.

В качестве примера рассмотрим структуру шумового спектра транзистора, которая в большей или меньшей степени аналогична и другим усилительным элементом.
Эквивалентная шумовая схема транзисторного усилительного каскада, построенного по схеме с ОЭ, включает в себя несколько основных источников шума.
Источником транзистора теплового шума является сопротивление базы транзистора
Дробовые шумы генерируются в переходе эмиттер-база и в закрытом переходе база–коллектор источником тока. Эти токи действуют во входной и выходной цепях каскада.

С точки зрения прохождения шумов от источника сигнала через транзистор существует некоторое оптимальное значение сопротивления источника сигнала, при котором коэффициент шума F минимален.
На средних частотах, где уровень шумов постоянный, главную роль играет тепловые шумы базы и дробовые шумы пролета носителей за счет неравномерности их скорости в общем потоке.
В области низких частот преобладают поверхностные мерцающие шумы, которые вызываются флюктуирующим захватом зарядов ловушками, образуемыми неоднородностями структуры полупроводника. Эти процессы медленные, поэтому низкочастотный коэффициент шума имеет характеристике вида 1/f, которая в логарифмическом масштабе (F = 10 lg F) имеет вид прямой. Эта шумовая составляющая очень важна для усилителей постоянного тока, так как определяет их низкочастотный дрейф.

До частоты излома fu1 мерцающие шумы превышают дробовые и тепловые. Между частотами fu1 и fu2 уровень шума равномерный, а затем он снова повышается из-за падения коэффициента усиления по току (В) с возрастанием частоты. Повышение уровня шума в высокочастотной области транзисторов в СВ4 (сверхвысоком частотном) диапазоне.

При анализе и разработке электронных цепей, а также для успешной борьбы с электромагнитными помехами в электронной аппаратуре надо помнить, что все элементы электронных схем не «идеальны», а имеют реальные характеристики. Резистор с ростом частоты превращается в резонансную цепь, конденсатор в индуктивность, индуктивность в конденсатор, простой соединительный проводник в высокоомное сопротивление, а у усилительных элементов наблюдается уменьшение входного сопротивления.
Именно поэтому разработка и создание рабочих, помехозащищенных электронных схем, приборов и измерительно-вычислительных комплексов есть не просто ремесленничество, а искусство схемотехники.