18.1 Принципиальная и эквивалентная схемы

апериодического усилителя

Как мы с вами уже знаем, транзистор может использоваться в различных схемах. Наиболее часто используются схемы с общим эмиттером (ОЭ) и общей базой (ОБ).

Апериодический усилитель на биполярном транзисторе приведен на рисунке 15.1.

Рассмотрим значение всех элементов схемы.

Резисторы R₁,R₂ и R_э в схеме с биполярным транзистором и в схеме с полевым транзистором R_З, R_И, а также R_Н и R_ в обеих схемах обеспечивают работу транзисторов в заданном режиме по постоянному току и осуществляют стабилизацию усилителя.

Емкости С_э и С_и выбираются таким образом, чтобы во всем частотном диапазоне этот конденсатор практически закорачивал переменную составляющую тока эмиттера (истока) на землю, устраняя тем самым ООС по переменному току. По этой причине на первом этапе расчетов элементы R_э С_э (R_и С_и) можно не учитывать.

Цепь R_C_ представляет собой развязывающий фильтр в цепи питания, препятствующий попаданию переменной составляющей тока коллектора (стока) в источник питания.

Наличие переменной составляющей на источнике питания может приводить к самовозбуждению в многокаскадной схеме за счет ОС через общий источник питания. При введении фильтра С_R_ большая часть переменной составляющей тока коллектора (истока) не попадает висточник питания, а замыкается через ёмкость С_ на землю.

Для этого ёмкость С_выбирается такой, чтобы ёмкостное сопротивление 1/(С_)было много меньше сопротивления резистора R_. Кроме того, цепь С_R_может использоваться для коррекции АЧХ в области низких частот.

Определим сопротивление R_при расчете питания по постоянному току в соответствии с приведенными формулами:

,.

Усиленное напряжение передается в цепь потребителя R_НС_Нс помощью конденсатора связи С_Р, который одновременно препятствует передаче постоянной составляющей (то есть развязывает каскад и цепь потребителя по постоянному току).

В качестве потребителя может выступать последующий каскад, тогда роль R_НС_Ниграют R_ВХC_ВХэтого каскада.

Анализ и расчет усилителей обычно ведут с использованием элементов схем по переменному току. При этом входным напряжением считают напряжение в точках 1.1, выходным - в точках 2.2, с которых снимается усиленный сигнал.

Искажения, вносимые цепью С_РR₁R₂учитываются при расчете предыдущего каскада.

Эквивалентную схему получаем, считая, что С_Э= С_И= С_= ∞, а внутреннее сопротивление источника равно нулю (рисунок 15.2).

В этом случае эмиттер (исток) транзистора и точка соединения резисторов R_Ни R_оказываются по переменному току под нулевым потенциалом (на земле), а источник питания коротко замкнут.

Транзистор заменяется в эквивалентной схеме управляемым генератором тока SU_МВХс внутренним сопротивлением R_ВЫХи емкостью С_ВЫХ. Параллельно генератору подключим нагрузку R_Ни через разделительный конденсатор С_Р– цепь потребителя R_НС_Н. Обычно, для удобства, вместо сопротивлений R_Н, R_ВЫХ, R_ВХиспользуют соответствующие им проводимости

_ВЫХ = 1/R_ВЫХ,_Н = 1\R_Ни_П = 1/R_П.

Наличие паразитных емкостей между элементами показываем введением емкостей С_М1, С_М2во входную и нагрузочную цепи.

Обычно в усилителях емкость С_Рнамного больше суммы остальных емкостей: С_Р>>С_ВЫХ+С_М1+С_М2+С_Н, и их влияние проявляется на различных частотах.

Поэтому весь диапазон разбивают на три части (нижние, средние и верхние частоты) и рассматривают отдельно поведение АЧХ в этих областях, соответствующим образом определяя эквивалентную схему для каждого из случаев.

1. В области средних частот сопротивление емкости С_Рстоль мало, что им можно пренебречь, а сопротивление емкости С_ЭКВ=С_ВЫХ+С_М1+С_М2+С_Нстоль велико по сравнению с сопротивлениями R_ВЫХ, R_Ни R_n,что его шунтирующее действие можно не учитывать. Следовательно, из общей эквивалентной схемы для области средних частот можно исключить емкости, и она примет вид,показанный на рисунке 15.3.

Имея в виду полученную эквивалентную схему и известную формулу

, найдем коэффициент усиления для средних частот:

где ρ_ЭКВ =ρ_ВЫХ +ρ_н+ρ_n. Знак минус учитывает сдвиг фазовых напряжений относительно входа на 180˚. Из показанной формулы видно, чтоК₀не зависит от частоты в области средних частот.

2. В области верхних частот сопротивление разделительного конденсатора С_Рмного меньше R_Ни его можно исключить из эквивалентной схемы. Сопротивление емкостей С_вых, С_м, С_пстановятся сравнимыми с сопротивлениями R_вых, R_н, R_пи их необходимо учитывать.

Объединив активные проводимости в одну проводимость ρ_экв, а емкости в С_экв, получим эквивалентную схему, приведенную на рисунке 15.4.

Из этой схемы получаем формулу:

,

где _в- постоянная времени в области верхних частот, равная:

.

Модуль коэффициента усиления:

или.

Эта характеристика графически представлена на рисунке 15.5.

Рисунок 15.5

Верхняя граничная частота АЧХ усилителя определяется из выражения для m_в(ω) при подстановкеm_вна граничной частоте,то есть:

,

то есть:

ω ^. 0,7_в=1 иω_в^. 0,7=1/_в=ρ_ЭКВ /С_ЭКВ.

Из приведенной формулы следует, что при увеличении С_ЭКВверхняя граничная частота уменьшается, и полоса пропускания сужается.

При увеличении R_ЭКВполоса пропускания тоже сужается, но одновременно растетКна средних частотах. Важным параметром усилителя является “площадь усиления” – произведение коэффициента усиления |К₀| наω_в:

.

Из этой формулы следует, что площадь усиления зависит и определяется параметрами транзистора (крутизной и паразитными емкостями).

3. В области нижних частот реактивное сопротивление разделительного конденсатора С_рстановится соизмеримым с R_н, R_п, и на нем происходит заметное падение переменного напряжения. Сопротивление емкостей С_вых, С_н, С_пвелико по сравнению с R_н, R_п, и поэтому их можно исключить из эквивалентной схемы усилителя для нижних частот. В результате мы получаем эквивалентную схему,приведенную на рисунке 15.6.

Коэффициент усиления в этом случае определяется по формуле:

,

где _Н - постоянная времени в области нижних частот.

.

Если сопротивление цепи потребителя R_Нвелико, как это обычно бывает в каскаде на полевом транзисторе, нагруженном на аналогичный каскад или в усилителе,работающем на высокочастотную нагрузку, то постоянная времени определяется приблизительным выражением:τ_н≈ С_пR_пилиτ_н≈ С_рR_з.

Определим АЧХ для области нижних частот:

или.

Из приведенного выражения следует, что коэффициент усиления падает с уменьшением частоты. Нижняя граничная частота ω_н=1/τ_нопределяется емкостью разделительного конденсатора и сопротивлением нагрузки цепи потребителя R_н. С учетом всех полученных выражений можно записать выражение, справедливое для всей области рабочих частот:

или.

Полученные выражения иллюстрируются графиком, приведенным на рисунке 15.7.