5.2. Характеристики усилителей напряжения в области средних звуковых частот.

В диапазоне средних звуковых частот влиянием реактивных элементов можно пренебречь, т.к. в нем выполняются два неравенства:

; .

В этом случае выходная цепь четырехполюсника будет иметь вид приведенный на Рис. 5.7.

Рис. 5.7 – Выходная цепь четырехполюсника в области СЧ.

Коэффициент передачи в этом диапазоне будет определятся следующим выражением:

.

Исходя из этого, частотные характеристики усилителя будут иметь следующий вид (см. Рис. 5.8).

Рис. 5.8 – частотные характеристики усилителя напряжения в области СЧ.

(а – АЧХ, б – ФЧХ, в - АФЧХ)

5.3. Низкие звуковые частоты.

В области нижних звуковых частот пренебрегают влиянием суммарной емкости нагрузки С_Н, но учитывают влияние С_Р т.к. неравенство (2) на низкой частоте выполняется с запасом, а (1) не выполняется, что требует учета сопротивления разделительного конденсатора С_Р. В этом случае модель выходной цепи четырехполюсника будет иметь вид, приведенный на Рис. 5.9.

Рис. 5.9 – Модель выходной цепи усилителя напряжения в области НЧ.

Коэффициент передачи, или коэффициент усиления усилителя в области низких частот , в этом случае будет определяться выражением:

.

Выполнив некоторые преобразования получим:

.

Для построения АЧХ определим модуль коэффициента передачи в области низких частот:

,

где .

Согласно полученного выражения с уменьшением частоты растет b и уменьшается модуль . АЧХ будет иметь вид приведенный на Рис. 5.11(а).

Коэффициент частотных искажений в области низких частот определяется выражением:

,

а его модуль имеет вид:

.

Следовательно – характеризует степень уменьшения по отношению к К_СР и определяется для самой низкой частоты усиливаемого сигнала. Для многокаскадного усилителя коэффициент частотных искажений обычно распределяют равномерно между всеми каскадами, тогда

.

При проектировании усилительных каскадов, в области низких звуковых частот по заданным значениям R_Вых, R_Н, M_Н, f_Н , определяют требуемое значение емкости конденсатора С_Р:

,

где _Н – низшая граничная частота входного сигнала.

Для оценки фазового сдвига вносимого усилителем на низких частотах построим векторную диаграмму для модели усилительного каскада приведенной на Рис. 5.9:

Рис. 5.10 – Векторная диаграмма усилителя для схемы с ОЭ в области НЧ.

Из Рис. 5.10. видно что , . При ; т.к. U_Ср. Следовательно, фазовый сдвиг искажений, вносимый каскадом усиления с ОЭ можно определить как:

(см. Рис. 5.11.г)

С учетом вышеизложенного, частотные характеристики усилителя АЧХ, ФЧХ и АФЧХ в диапазоне НЧ будут иметь вид приведенный на Рис. 5.11.

Рис. 5.11 – частотные характеристики усилителя в области НЧ.

(а – АЧХ, б – ФЧХ, в - АФЧХ)

5.4. Работа усилителя в области верхних звуковых частот.

В области верхних звуковых частот пренебрегают влиянием С_Р, и учитывают влияние суммарной емкости нагрузки С_Н, т.к. в данной области частот сопротивление С_Н становится соизмеримо с R_Н и включено параллельно, а сопротивление С_Р становится пренебрежительно малым и включено последовательно с нагрузкой, следовательно им можно пренебречь. В этом случае выходная цепь усилительного каскада, как четырехполюсника, будет иметь вид приведенный на Рис. 5.12.

Рис. 5.12 – модель выходная цепь усилительного каскада в области ВЧ.

Коэффициент передачи или коэффициент усиления в области верхних частот , в этом случае будет определяться следующим выражением:

.

После преобразований получим:

.

Для построения АЧХ определим модуль коэффициента передачи :

,

где .

Согласно полученного выражения с увеличением частоты растет b и уменьшается модуль .

В этом случае АЧХ имеет вид, показанный на Рис. 5.14(а).

Коэффициент частотных искажений определяется аналогично:

,

а его модуль имеет вид:

.

В области высоких звуковых частот зная С_Н, R_Н, M_В, f_В определяют R_Вых. Такой расчет должен предшествовать расчету по переменному току и максимальное значение R_Вых, определенное для схем с ОЭ и ОБ поставит ограничение сверху на выбор резистора R_К по постоянному току.

Для оценки фазового сдвига вносимого усилителем на высоких частотах, аналогично низким частотам, построим векторную диаграмму для модели, приведенной на Рис. 5.12. Диаграмма построена для каскада с ОЭ, т.к. вектор направлен противоположно вектору . Для схем усилительных каскадов с ОБ и ОК вектор будет направлен по вектору . Из диаграммы видно, что фазовый сдвиг вносимый усилителем меньше 180. При _В , т.к. I_Н. Фазовый сдвиг искажений, вносимый каскадом усилителя с ОЭ в области ВЧ определяется аналогично:

.

Рис. 5.13 – Векторная диаграмма усилителя в области верхних частот.

С учетом вышеизложенного, частотные характеристики усилителя в области ВЧ будут иметь вид приведенный на Рис. 5.14).

Рис. 5.14 – частотные характеристики усилителя в области ВЧ

(а – АЧХ, б – ФЧХ, в - АФЧХ).

Если граничная частота усиления транзистора, на порядок или хотя бы в 35 раз превышает максимальную частоту входного сигнала усилителя f_В, то влиянием транзистора на частотные характеристики усилителя можно пренебречь. Если же данные частоты соизмеримы, то необходимо учитывать частотные свойства транзистора. Коэффициенты усиления по току для схем с ОБ и ОЭ, с учетом их частотных свойств, имеют вид:

; .

Для схемы с ОБ граничная частота на порядок больше чем у схемы с ОЭ, следовательно схема с ОБ обладает лучшими частотными характеристиками.

Коэффициенты частотных искажений для транзистора можно определить аналогичным образом:

, .

Общий коэффициент частотных искажений каскада, с учетом частотных свойств транзистора, будет определяться произведением коэффициента частотных искажений каскада и коэффициента частотных искажений транзистора:

.

6. Влияние температуры на характеристики усилителя.

6.1. Влияние температуры на характеристики биполярных транзисторов. Основные причины температурной нестабильности транзисторных каскадов.

6.2. Температурная стабилизация каскадов.

6.3. Схемы температурной компенсации.

6.4.Количественная оценка температурной нестабильности стабильности транзисторных каскадов.

6.1.Влияние температуры на характеристики биполярных транзисторов. Основные причины температурной нестабильности транзисторных каскадов.

Как известно, сопротивление полупроводников существенно зависит от температуры, а следовательно изменение температуры существенно влияет на характеристики транзистора. Изменяются положение рабочей точки "О" по постоянному току, параметры транзистора, а следовательно и все остальные характеристики и параметры усилителя. Влияние температуры на входные и выходные характеристики транзистора показано на Рис. 6.1.

Рис. 6.1 – влияние температуры на характеристики транзистора.

Выделяют следующие основные причины температурной нестабильности:

• Изменение обратного (теплового) тока коллектора от температуры

• Смещение входных характеристик при изменении температуры;

• Изменение коэффициента усиления по току транзистора и .

Рассмотрим подробнее каждую из них:

Для германиевых транзисторов обратный ток с ростом температуры удваивается на каждые 10, а для кремниевых – на каждые 7:

(Ge);

(Si).

Однако, начальные значения тока для кремниевых транзисторов на 1–2 порядка меньше, чем для германиевых, по этому несмотря на большую крутизну их характеристик значение обратных токов меньше и их применение предпочтительнее (см. Рис. 6.2):

Рис. 6.2 – зависимость I_К(t).