2.6. Эквивалентная схема усилительного каскада

При расчете ряда параметров усилительного каскада часто используется его эквивалентная схема для переменной составляющей тока. Эта схема, приведенная на рис.2.9, построена при пренебрежении сопротивлением конденсаторов и внутренним сопротивлением источника питания Е. Пунктиром выделена схема замещения транзистора, которая совпадает со схемой рис.1.9. Выходная часть схемы рис.2.9 включает параллельное соединение сопротивлений R и R, на что указывает соотношение (2.5). Входной ток каскада, как видно из схемы рис.2.2, делится на три части: одна протекает через резистор R, вторая поступает на вход транзистора, а третья протекает через резисторR. В связи с этим, а также с учетом малости величины внутреннего сопротивления источника питания по сравнению с величиной сопротивления R, на входе транзистора в эквивалентной схеме рис.2.9 включено сопротивление, величина которого определяется параллельным соединением резисторовR и R₂. Таким образом, входное сопротивление усилительного каскада определяется как

R= R║ R║ r, (2.11)

где r_вх– входное сопротивление транзистора.

Как отмечалось выше, величина сопротивления rв схеме замещения транзистора мала, что позволяет записать соотношение для выходного сопротивления каскада в виде

R= R ║ r. (2.12)

Однако, поскольку r >> R, то обычно считается, что выходное сопротивление каскада равно сопротивлению резистора R.

Рис.2.9. Эквивалентная схема усилительного каскада

для переменной составляющей тока

Согласно схеме рис.2.9 входные клеммы каскада и транзистора находятся под одним потенциалом, что позволяет записать

IR= Ĩ_Б r, (2.13)

где I_ВХиĨ_Б – действующие значения входного тока и переменной составляющей базового тока. Выходной ток каскада, протекающий через резистор R, является частью тока источника βĨ_Б. Для не очень высоких частот сопротивление емкости коллекторного перехода (конденсатораC) остается большим. Кроме того, величина сопротивленияrмала, а сопротивления r- велика. Поэтому величина переменной составляющей падения напряжения в нагрузке

IR = β Ĩ_Б (R║ R). (2.14)

Почленное деление (2.14) и (2.13) позволяет записать соотношение для коэффициента усиления каскада по току

(2.15)

Коэффициент усиления по напряжению усилительного каскада может быть определен как

К_u = =К, (2.16)

поскольку U_вх = I_вх R_вх, аU_вых = I_н R_н.

2.7. Электрические характеристики усилителя

Основными электрическими характеристиками усилителя обычно считают амплитудную (или передаточную) и амплитудно-частотную. Амплитудной характеристикой называют зависимость выходного напряжения от напряжения входного. Амплитудно-частотной характеристикой – зависимость коэффициента усиления по напряжению (или выходного напряжения) от частоты входного сигнала при фиксированном его уровне. Эти характеристики рассматриваются на примере усилительного каскада рис.2.2.

Рис.2.10. Зависимость выходных параметров усилителя

от входного напряжения: а – выходного напряжения,

б – коэффициент усиления

На рис.2.10,а приведена амплитудная (передаточная) характеристика усилителя, работающего в режиме класса А, а на рис.2.10,б – соответствующая ей зависимость коэффициента усиления по напряжению от входного напряжения. При малых значениях входного напряжения наблюдается линейное увеличение выходного напряжения с увеличением входного напряжения и, как следствие этого, постоянство величины коэффициента усиления. При больших значениях входного напряжения выходное напряжение становится независимым от уровня входного сигнала, а коэффициент усиления уменьшается с увеличением входного напряжения.

Зависимости на рис.2.10 объясняются с использованием построений на рис.2.5 и 2.6. При малых входных напряжениях его увеличение приводит к удалению точек А иВот точки покоя и тем самым к увеличению выходного напряжения. Пока перемещение рабочей точки в течение периода входного сигнала происходит в области значений токов и напряжений транзистора, где зависимости между величинами этих параметров линейные, увеличение входного напряжения сопровождается пропорциональным увеличением и выходного напряжения. При этом коэффициент пропорциональности является коэффициентом усиления по напряжению, а мгновенное значение выходного напряжения, как и входного, изменяется во времени по синусоидальному закону, т.е. при усилении отсутствует искажение сигнала. Усилитель работает в линейном режиме.

Рис.2.11. Построения на выходной характеристике транзистора,

объясняющие искажения выходного сигнала при переходе

в нелинейный режим усиления: 1 – работа в линейном режиме,

2 – работа в нелинейном режиме

При увеличении уровня входного сигнала в транзисторе может установиться такой режим, при котором точка Адоходит до участка характеристики, где коллекторный ток резко увеличивается при увеличении напряжения коллектор-эмиттер (точка А_предна рис.2.11), а точкаВдоходит до вольтамперной характеристики для I_Б = 0 (точка В_предна рис.2.11). В этом режиме достигаются предельные значения амплитуд переменных составляющих коллекторного тока и напряжения коллектор-эмиттер. Дальнейшее увеличение входного напряжения не приводит к удалению точекАиВот точки покоя, а временные зависимости мгновенных значений переменных составляющих этих тока и напряжения будут представлять собой синусоиду с усечениями в области максимальных и минимальных значений, как показано на рис.2.11, т.е. наблюдается искажение синусоиды. В результате в спектре выходного сигнала, кроме составляющей, соответствующей частоте входного сигнала, появляются другие гармонические составляющие, что свидетельствует о переходе усилителя в нелинейный режим. Амплитуда усиливаемого сигнала практически не увеличивается при увеличении входного напряжения, а коэффициент усиления будет уменьшаться при дальнейшем увеличении входного напряжения.

Для режима класса Взависимости выходного напряжения и коэффициента усиления от напряжения на входе усилителя будут такими же, как на рис.2.10. Однако, как уже отмечалось, при любых величинах выходного напряжения усилитель будет работать в нелинейном режиме. Ограничение выходного напряжения связано с достижением точкойАучастка выходной характеристики транзистора, соответствующего резкому увеличению коллекторного тока при малых напряжениях коллектор-эмиттер.

На рис.2.12 приведена амплитудно-частотная характеристика усилителя и отмечен рабочий диапазон частот. По обеим сторонам от этого диапазона коэффициент усиления достаточно резко уменьшается. Обычно считается, что в пределах рабочего диапазона коэффициент усиления не снижается ниже≈ 0,707 от уровня в центральной его части.

Рис.2.12. Амплитудно-частотная

характеристика усилителя переменного тока

Со стороны низких частот ограничение рабочего диапазона связано с наличием в схеме усилителя конденсаторов, сопротивление которых увеличивается при уменьшении частоты. Разделительные конденсаторы в цепи переменного тока включены последовательно с транзистором. Поэтому увеличение сопротивления конденсаторов сопровождается увеличением падения напряжения на них и обусловливает потери как во входной цепи каскада (в конденсаторе С), так и в выходной (в конденсаторе С). При увеличении сопротивления конденсатора Св эмиттерной цепи транзистора нарушается условие (2.10). В результате переменный ток начинает протекать через резистор R, а поэтому сокращается интервал перемещения рабочей точки по нагрузочной прямой в течение периода входного сигнала (длина отрезка АВ на рис.2.6). Тем самым уменьшаются амплитуды переменных составляющих коллекторного тока и напряжения коллектор-эмиттер.

Уменьшение коэффициента усиления на высоких частотах связано с частотными свойствами транзистора, а именно емкостью его коллекторного перехода. Как видно из эквивалентной схемы усилительного каскада на рис.2.9, емкость Свключена параллельно сопротивлению нагрузки R(сопротивление резистора Rмало). На низких частотах сопротивление этой емкости велико, и через нее не протекает ток источника βĨ_Б. На высоких частотах емкостное сопротивление уменьшается, и емкость Спроявляет шунтирующее действие, в результате чего ток в нагрузке уменьшается, а, следовательно, и уменьшается падение напряжения на резисторе R, т.е. выходное напряжение усилителя.