Согласование входного импеданса в усилителях ОЗ/ОБ
Posted: 14 Sep 2013, 23:51
Усилитель с общим затвором/базой характеризуется высокой развязкой входа и выхода, при этом его входное сопротивление не зависит от сопротивления нагрузки. Это свойство очень часто используется в случае необходимости константной нагрузки для предыдущего каскада (например смеситель).
На рис.1 представлена типичная схема усилительного каскада с общим затвором (ОЗ). Входное сопротивление такого каскада равно 1/g. Т.к. крутизна g полевого транзистора зависит от тока стока то ее можно варьировать в некоторых пределах с помощью подстроечного резистора R в цепи истока, который по сути задает отрицательное смещение на затворе относительно истока. Но такой метод управления входным сопротивлением имеет также и свои отрицательные стороны:
- при уменьшении тока возрастает нелинейность, уменьшается перегрузочная способность и снижается параметр IP3.
-диапазон регулировки достаточно ограничен
Аналогичный каскад может быть реализован на биполярных транзисторах (БТ). Пример такого каскада приведен на рис. 2. При работе на линейном участке крутизну БТ можно рассчитать по формуле g=40*Ik. Для тока коллектора 10мА это дает значение крутизны в 400ма/в. При увеличении тока коллектора крутизна пропорционально растет. Это вызывает определенные трудности при согласовании таких каскадов по входы с 50ти омными цепями, т.к. при крутизне 400ма/в входное сопротивление составляет всего лишь 1/0,4=2,5ом.
На рис.3.1 изображен вариант "наивного" согласования путем включения дополнительного резистора Rin, который выбирают исходя из требуемого входного сопротивления. Несмотря на примитивизм такого решения, оно вполне заслуживает права на жизнь в случае использования транзисторов с высокой крутизной и, соответственно, низким входным сопротивлением каскада на них. В пределе можно говорить, что входное сопротивление такого каскада стремится к нулю, а добавочный резистор работает как примитивный преобразователь напряжение-ток.
Другой вариант согласования, широко применяемый на практике, заключается в использовании трансформатора сопротивлений на входе рис. 3.2. Схема имеет некоторое ограничение в плане согласования входа, т.к. трансформатор может преобразовывать импеданс в соотношении 1:(N/M)^2, где N и M - целые числа. Также могут возникнуть определенные сложности при конструктивном выполнении широкополосного трансформатора в случае применения транзисторов с большой крутизной и соответственно очень низким входным сопротивлением.
Можно комбинировать оба метода и получить схему рис.3.3. В ней мы с помощью трансформатора повышаем входное сопротивление в кратное число раз и тонко "доводим" его до требуемого путем выбора Rin.
Более гибко согласовать входной импеданс можно используя на входе частотно-компенсированный резистивный делитель рис. 4. Сопротивление Rin выбирается таким образом, чтобы совместно с входным сопротивлением каскада (т.е. 1/g) оно давало требуемый импеданс.
В случае использования транзисторов с высокой крутизной входное сопротивление практически равно значению Rin, который в данном случае выступает в роли преобразователя напряжение-ток, а усилитель имеет низкоомный токовый вход. Входное сопротивление такого каскада неизменно в широкой полосе частот и не зависит от сопротивления нагрузки.
Конденсатор Cin подбирается по максимуму полосы пропускания (см. эквивалентную схему рис. 5). Должно выполнятся соотношение Cgs/g=Cin*Rin. В случае высокого значения Cds его так же необходимо учитывать.
На рис.1 представлена типичная схема усилительного каскада с общим затвором (ОЗ). Входное сопротивление такого каскада равно 1/g. Т.к. крутизна g полевого транзистора зависит от тока стока то ее можно варьировать в некоторых пределах с помощью подстроечного резистора R в цепи истока, который по сути задает отрицательное смещение на затворе относительно истока. Но такой метод управления входным сопротивлением имеет также и свои отрицательные стороны:
- при уменьшении тока возрастает нелинейность, уменьшается перегрузочная способность и снижается параметр IP3.
-диапазон регулировки достаточно ограничен
Аналогичный каскад может быть реализован на биполярных транзисторах (БТ). Пример такого каскада приведен на рис. 2. При работе на линейном участке крутизну БТ можно рассчитать по формуле g=40*Ik. Для тока коллектора 10мА это дает значение крутизны в 400ма/в. При увеличении тока коллектора крутизна пропорционально растет. Это вызывает определенные трудности при согласовании таких каскадов по входы с 50ти омными цепями, т.к. при крутизне 400ма/в входное сопротивление составляет всего лишь 1/0,4=2,5ом.
На рис.3.1 изображен вариант "наивного" согласования путем включения дополнительного резистора Rin, который выбирают исходя из требуемого входного сопротивления. Несмотря на примитивизм такого решения, оно вполне заслуживает права на жизнь в случае использования транзисторов с высокой крутизной и, соответственно, низким входным сопротивлением каскада на них. В пределе можно говорить, что входное сопротивление такого каскада стремится к нулю, а добавочный резистор работает как примитивный преобразователь напряжение-ток.
Другой вариант согласования, широко применяемый на практике, заключается в использовании трансформатора сопротивлений на входе рис. 3.2. Схема имеет некоторое ограничение в плане согласования входа, т.к. трансформатор может преобразовывать импеданс в соотношении 1:(N/M)^2, где N и M - целые числа. Также могут возникнуть определенные сложности при конструктивном выполнении широкополосного трансформатора в случае применения транзисторов с большой крутизной и соответственно очень низким входным сопротивлением.
Можно комбинировать оба метода и получить схему рис.3.3. В ней мы с помощью трансформатора повышаем входное сопротивление в кратное число раз и тонко "доводим" его до требуемого путем выбора Rin.
Более гибко согласовать входной импеданс можно используя на входе частотно-компенсированный резистивный делитель рис. 4. Сопротивление Rin выбирается таким образом, чтобы совместно с входным сопротивлением каскада (т.е. 1/g) оно давало требуемый импеданс.
В случае использования транзисторов с высокой крутизной входное сопротивление практически равно значению Rin, который в данном случае выступает в роли преобразователя напряжение-ток, а усилитель имеет низкоомный токовый вход. Входное сопротивление такого каскада неизменно в широкой полосе частот и не зависит от сопротивления нагрузки.
Конденсатор Cin подбирается по максимуму полосы пропускания (см. эквивалентную схему рис. 5). Должно выполнятся соотношение Cgs/g=Cin*Rin. В случае высокого значения Cds его так же необходимо учитывать.