Динамические характеристики

Назначение конденсаторов в усилителях.Если усили­тельный каскад на ПТ, схема которого показана на рис. 5.5, б, используется для усиления переменного напряже­ния, то в него включают еще и конденсаторы С_р1, С_р2 и (рис. 5.10, а). Конденсаторы C_p1 и С_р2 называются раз-Делительными. Они используются для развязки усилителя по постоянному току от источника входного сигнала (С_Р1) и от нагрузки R_H усилителя (С_р2). Емкости этих конденсаторов должны быть такими, чтобы на них вы­делялась небольшая часть входного и выходного пере­менного напряжения. Это требование осуществляется при выполнении условий:

где — частота самой низкой гармоники в спектре уси­ливаемого сигнала; — сопротивление внешней нагрузки усилителя.

Емкость конденсатора выбирается из условия

При этом сопротивление конденсатора для перемен­ного напряжения оказывается в 20—30 раз меньше сопро­тивления резистора R_и и можно считать, что исток ПТ по переменному току соединен с общей шиной усили­теля. В результате напряжение ООС, которое создава­лось на резисторе приотсутствии конденсатора , оказывается близким к нулю и все входное напряжение прикладывается между затвором и истоком ПТ.

Элементы и называют цепью автоматического смешения.

Выходная динамическая характеристика.При гармо­ническом характере усиливаемого переменного напряже­ния рабочая точка А, характеризующая режим покоя усилителя, выбирается примерно в середине выходной нагрузочной прямой, построенной на семействе стати­ческих выходных характеристик ПТ для сопротивления нагрузки по постоянному току, равного R_н=R_c+R_и (рис. 5.10, б). При этом, как было показано в § 5.1 (см. рис. 5.1, б), ток стока и напряжение становятся пульсирующими, т. е. у них появляются переменные со­ставляющие. Для переменной составляющей тока стокасопротивления конденсаторов С_и и С_Р2 близки к нулю, вследствие чего сопротивление нагрузки усилителя по переменному току r_н равно сопротивлению элементов R_c и , включенных параллельно (внутреннее сопротив ление источника питания Е_с переменному току можно считать равным нулю):

Если обозначить переменную составляющую тока стока через , то вследствие противофазности пере­менных составляющих тока I_с и напряжения (см. графики 3 и 4 на рис. 5.1, б) уменьшению мгновенного значения тока стока на соответствует увеличение мгновенного значения напряжения

на , т. е. справедливы уравнения:

Подставляя во второе уравнение значение , получим

Уравнение (5.5) связывает мгновенные значения выходного тока I_с и выходного напряжения при пе­ременном сигнале на входе усилителя и определяет вы­ходную нагрузочную характеристику по переменному току, или выходную динамическую характеристику. Для ее построения необходимо определить две точки.

1-я точка: полагая I_с = , получим . Сле­довательно, выходная динамическая характеристика про­ходит через точку ( , ), определяющую режим покоя;

2-я точка: полагая , получим . Следовательно, выходная динамическая характе­ристика проходит через точку, лежащую на оси напряже­ний при . Так как , то __ (см. рис. 5.10. б).^

Схемы усилительных каскадов на БТ, используемых для усиления переменных напряжений, отличаются от приведенных на рис. 5.8 и 5.9 наличием разделительных конденсаторов на входе С_р1 и на выходе С_р2 и конденса­тора С„ шунтирующего резистор R3 (рис. 5.9, а) с целью устранения последовательной ООС по переменному току. Уравнение выходной динамической характеристики для этих усилителей подобно уравнению (5.5) и имеет вид

ДИНАМИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ

Свойства усилительного каскада при поступлении на его вход переменного напряжения или тока характери­зуются динамическими параметрами, или параметрами режима усиления: динамической крутизной передаточной характеристики, коэффициентами усиления напряжения, тока и мощности, входной динамической емкостью, вы­ходной полезной мощностью, которая выделяется в на­грузке усилителя переменной составляющей выходного тока, и некоторыми другими.

Динамическая крутизна.Динамической крутизной передаточной характеристики, или просто крутизной усилителя, называют отношение

где и — комплексные амплитуды переменных составляющих выходного тока и входного напряжения. Динамическую крутизну S_Д можно выразить через малосигнальные (дифференциальные) параметры стати­ческого режима. Например, используя выражение для выходного тока усилителя, записанное применительно к системе Y-параметров,

и учитывая, что в инвертирующем усилителе , на основании уравнения (5.6) получим

Коэффициенты усиления.Коэффициент усиления на­пряжения определяется как отношение

или с учетом выражения (5.7)

Работа усилителя на БТ сопровождается протека­нием тока входного электрода — тока базы. Поэтому, помимо коэффициента усиления напряжения , свойства такого усилителя характеризуются коэффициентом уси­ления тока: .

Так как , , то с учетом выра­жения (5.9) коэффициент усиления тока можно пред­ставить выражением

Коэффициент усиления мощности определяется выра­жением

Параметры , , и можно определить графическим методом. При этом используются формулы, выражающие динамические параметры через амплитудные значения токов и напряжений:

Порядок определения динамических параметров уси­лителя на БТ, включенном по схеме ОЭ, следующий.

1. На семействе статических выходных характеристик БТ строится выходная нагрузочная характеристика, затем выбирается рабочая точка А и проводятся выходные нагрузочная и динамическая характеристики (рис.5.11, а).

2. Для заданной амплитуды входного напряжения по входным характеристикам определяется ампли­туда тока базы (рис. 5.11, б).

3. По выходной динамической характеристике для найденной амплитуды тока базы БТ находят амплитуды коллекторного тока и коллекторного напряжения .

4. Рассчитываются динамические параметры S_Д, K_u, и полезная мощность R_R, выделяемая в нагрузке по переменному току:

Для усилителей на ПТ параметры и К_Р не опре­деляются.

Входная динамическая емкость.Входная динамичеекая емкость усилителя обусловлена наличием междуэлектродных емкостей активных элементов.

В усилителе на ПТ (рис. 5.12) можно считать, что . Составляющие и обусловлены входной проходной междуэлектродными емкостями ПТ. Следо-

вательно, входное сопротивление усилителя имеет емкостный характер и обусловлено некоторой результирующей входной емкостью которую назовем входно динамической емкостью С_вх.д. С учетом этого можно за писать:

К емкости С_вх приложено переменное напряжение u_вх, поэтому . Так как рассматриваемый усилитель является инвертирующим, напряжение, приложенное к емкости С_прох, равно сумме напряжений u_вх и u_вых, в результате чего имеем . Подставляя значения i'_BX и в выражение (5.10) и учитывая, чтополучаем:

Сравнивая выражения (5.10) и (5.11), можно сделать вывод о том, что входная динамическая емкость связана со статическими междуэлектродными емкостями уравне­нием

Выражение (5.12) показывает, что входная динами­ческая емкость усилителей на ПТ значительно больше входной статической емкости ПТ, приводимой в спра­вочниках. Входная динамическая емкость уменьшает вход­ное сопротивление усилителя.

Выражение (5.12) справедливо и для усилителя на БТ, однако его входное сопротивление, кроме емкостной со­ставляющей, содержит и активную составляющую, обус­ловленную протеканием тока базы.

ЭКВИВАЛЕНТНЫЕ СХЕМЫ

Эквивалентные схемы транзисторов.При работе по­левого транзистора в усилительном режиме его можно рассматривать как линейный элемент и в расчетах за­менять эквивалентной схемой, содержащей входную и выходную цепи.

При включении ПТ с общим истоком ввиду малого тока затвора можно считать, что активная составляющая входного сопротивления очень велика. В этом случае входную цепь ПТ можно отобразить емкостью при или емкостью при .

Согласно выражению для динамической крутизны и с учетом выражения (5.7) имеем

Параметр Y₂₁, определяемый для ПТ из выражения

есть не что иное, как крутизна передаточной характери­стики S (крутизна ПТ), а , где — вы­ходное дифференциальное сопротивление ПТ. С учетом этого выражение (5.13) можно представить в виде

Умножая обе части этого равенства на и учиты­вая, что , получаем выражение, связывающее мгно­венные значения тока стока и напряжения затвора ПТ:

Данному выражению соответствует эквивалентная схема, приведенная на рис. 5.13, а.

Напряжение, создаваемое в нагрузке усилителя, определяется из выражения или с учетом (5.14) из выражения

которому соответствует эквивалентная схема, показан­ная па рис. 5.13, б.

Для усилителя на биполярном транзисторе, включен­ном по схеме ОЭ, параметр

является крутизной передаточной характеристики БТ (крутизной БТ), которая в справочниках обычно не при­водится. Однако параметры S и ц легко рассчитать но известным h-параметрам с помощью формул:

Таким образом, выходную цепь полевого и биполярно­го транзистора на низких частотах можно представить в виде эквивалентной схемы с генератором напряжения или тока с внутренним (дифференциальным) сопротивлением . Чтобы эти схемы были справедливы и для высоких частот, необходимо учесть частотную за­висимость входящих в них элементов S, и .

Представление полевых и биполярных транзисторов идентичными эквивалентными схемами позволяет осуществить единый подход к анализу усилителей на тран­зисторах.

Инвертирующие свойства усилителя отображаются знаком «минус» перед обозначением напряжения ЭДС эквивалентного генератора напряжения или перед обозна­чением тока эквивалетного генератора тока.

Эквивалентные схемы усилительных каскадов.Прин­ципиальные схемы усилителей напряжения (УН) с ре-остатно-емкостными связями на полевых и биполярных транзисторах показаны соответственно на рис. 5.14, а и б.

В усилительный каскад на транзисторе VT1 входит часть схемы, заключенная между затвором (или базой) тран­зистора VT1 без учета цепей смещения и источника сигна­ла и затвором (или базой) транзистора VT2, включая цепи смещения транзистора VT2 и его входное сопротив­ление, которое образует нагрузку усилительного каскада на VT1.

Переход от принципиальной схемы усилительного каскада к его эквивалентной схеме по переменному току осуществляется следующим образом. Активный элемент заменяется генератором тока — (или генератором напряжения — ) с внутренним сопротивлением или . К выходным зажимам полученного таким образом генератора в соответствии с принципиальной схемой под­ключаются все элементы каскада, оказывающие сопро­тивление переменному току, атакже междуэлектродные емкости и емкости монтажа. Источник питания в эквива­лентной схеме отсутствует, так как его сопротивление пе­ременному току близко к нулю. Поскольку сопротивления конденсаторов и С_Э для переменного тока малы, то цепи и в эквивалентных схемах по переменному току также будут отсутствовать. Не войдут в них и входные цепи, так как они находятся за пределами границ усилительных каскадов (рис. 5.15).

Сравнивая полученные эквивалентные схемы, легко заметить полное сходство их левых частей до конденсатора С_Р2 включительно. Элементы, представленные справа от конденсатора С_р2, отображают внешнюю нагрузку каскада, которая включает в себя активную и емкостную составляющие. С учетом этого замечания усилители на ПТ и БТ можно представить обобщенной эквивалентной схемой по переменному току (рис. 5.16). Входящие в эту схему

элементы определяются типом усилителя. Так, например, для усилителя на ПТ: ; ; , где С_М — емкость монтажа; ; ;

а для усилителя на БТ: ; ; ; , где R_ЭKB — эквивалентное сопротивление, образованное делителем R1, R2 и входным сопротивле­нием транзистора VT2, С2 = С_вх._д._сл — входная динамическая емкость следующего каскада.