Эпюры токов и напряжений в усилительном каскаде

На рис. 5 приведены эпюры токов и напряжений для однокаскадного усилителя.

Рис. 5. Эпюры напряжений и токов в усилительном каскаде

Пока на вход усилителя не подано входное переменное напряжение, на участке будет постоянное напряжение, за счет этого напряжения в цепи базы протекает ток ; в цепи коллектора ток будет в раз больше, чем . На транзисторе постоянное напряжение меньше, чем ,т.к. часть напряжения выделилась на и . Т.к. коллектор соединен с нагрузкой через разделительный конденсатор , то напряжение на нагрузке равно нулю.

Подадим на вход синусоидальный сигнал. Он пройдя через будет суммироваться с , при этом напряжение база-эмиттер должно быть одной полярности. Ток в цепи базы повторяет форму в соответствии с входной характеристикой. повторяет форму , но с большим в раз размахом. Ток коллектора протекает через транзистор и через , при этом, чем больше значение , тем меньше падение напряжения на транзисторе, т.е. характер поведения напряжения на участке коллектор-эмиттер будет противоположен характеру поведения тока коллектора. Если в цепи эмиттера отсутствует конденсатор , то будет повторять форму .

Ту форму напряжения, которая появилась на коллекторе транзистора, можно представить в виде двух составляющих: переменной и постоянной. Постоянная составляющая через не пройдет, а пройдет только переменная, которая выделится на нагрузке.

Кроме этого, можно сделать вывод, что входное и выходное напряжения находятся в противофазе, т.е. усилительный каскад поворачивает сигнал на или инвертирует.

Эквивалентная схема усилительного каскада

Для упрощения анализа работы усилительного каскада используется его эквивалентная схема, которая приведена на рис 6.

Рис. 6. Полная эквивалентная схема усилительного каскада

Где: ║ ;

Для упрощения рассмотрим влияние элементов на работу усилителя отдельно для каждой области усиливаемых частот.

Область средних частот

Под областью СЧ понимают ту область, где влиянием реактивных элементов можно пренебречь, т.к. и включено последовательно с , а и включено с ним параллельно. Коэффициенты усиления для этой области определяются выражением:

где R_K~ ║ ;

║ ;

.

Из приведенного выражения видно, что коэффициент усиления увеличивается, если увеличивается R_K~, т.е. или , если применить транзистор с большим коэффициентом усиления и при уменьшении выходного сопротивления источника входного сигнала . Но при увеличении , , , т.е. автоматически приводит к уменьшению верхней граничной частоты , т.е. полосы пропускания усилителя.

На рис.7 представлена эквивалентная схема усилительного каскада для области средних частот (СЧ). Резистор показан пунктиром, его необходимо учитывать, если в схеме отсутствует (при наличии , поэтому закорачивается).

Рис. 7. Эквивалентная схема для области средних частот

Область нижних частот

Завал АЧХ в области нижних частот (рис.2) обусловлен наличием разделительных конденсаторов , и конденсатора в цепи эмиттера . Сопротивление конденсатора зависит от частоты

с понижением частоты его сопротивление возрастает. Конденсатор включен последовательно между источником входного сигнала и входом усилителя и совместно со входным сопротивлением усилителя образует делитель напряжения. Поэтому с понижением частоты и ростом сопротивления конденсатора большая часть входного напряжения будет выделяться на этом конденсаторе, а на вход транзистора будет поступать меньше, следовательно, уменьшится сигнал на выходе и уменьшится коэффициент усиления на нижних частотах, а коэффициент частотных искажений возрастет. Аналогично влияет и конденсатор , который совместно с образует еще один выходной делитель напряжения, и напряжение выходное с понижением частоты уменьшится.

Для области нижних частот определяют коэффициент частотных искажений для входной и выходной цепи:

= ;

где – постоянная времени для входной цепи

– постоянная времени для выходной цепи.

Суммарный коэффициент частотных искажений определяется в виде:

Из приведенного выражения видно, что с понижением частоты и уменьшением значений разделительных конденсаторов значение возрастает, следовательно, уменьшится, что и способствует завалу АЧХ на нижних частотах.

Следовательно, для уменьшения линейных искажений следует до определенных пределов увеличивать и . На рис. 8 показано как изменяется коэффициент усиления в области нижних частот ( ) при различных значениях .

Рис. 8. Влияние С_р на АЧХ усилителя

Где < < .

Область верхних частот

На «завал» АЧХ в области верхних частот (рис. 2) основное влияние оказывают следующие причины:

а) зависимость коэффициента усиления транзистора ( ) от частоты, связанное с инерционностью носителей, причем, с ростом частоты значение уменьшается;

б) наличие барьерной емкости , в которую ответвляется часть коллекторного тока, при этом ток в нагрузке, а, следовательно, и выходное напряжение уменьшается;

в) наличие емкости монтажа и емкости нагрузки , которые оказываются подключенными параллельно R_K~ и с ростом частоты уменьшают эквивалентное сопротивление нагрузки по переменному току. За счет этого на нагрузке будет уменьшаться выходное напряжение и соответственно коэффициент усиления на высокой частоте.

Частотные искажения для области верхних частот определяются следующим выражением:

где – постоянная времени транзистора, ;

верхняя граничная частота усиления транзистора;

– постоянная времени нагрузки транзистора по переменной составляющей в области верхних частот, =С₀ R_K~.

Соответственно верхняя граничная частота усиления при заданных частотных искажениях определяется в виде

.

Из приведенного выражения видно, что верхняя граничная частота будет увеличиваться, если использован более высокочастотный транзистор с меньшим значением , также при увеличении R_K и C_0. Таким образом, если уменьшать С₀ ( ), то коэффициент частотных искажений на верхних частотах уменьшится, следовательно, уменьшаться линейные искажения на ВЧ; коэффициент усиления на верхних частотах К_В увеличится, при этом, увеличивается, и наоборот, при увеличении С₀ коэффициент частотных искажений увеличивается, К_В уменьшается, уменьшается. На рис. 9 показано изменение К_ус, при изменении С_0.

Рис. 9. Влияние С₀ на АЧХ усилителя

Где С₀₁>С₀₂ >С₀₃.

Площадь усиления

Для характеристики свойств усилителя, кроме диапазона усиливаемых частот, вводится понятие площади усиления.

П=К_СР· =const

В приведенном выражении для увеличения К_ср мы должны увеличивать значение R_K~, что следует из анализа в области средних частот. Но одновременно увеличение R_K~ автоматически приводит к уменьшению , т.е. значение площади усиления, определяемой как произведение К_СР и , будет оставаться примерно постоянным для данного типа усилителя. Это очень важный вывод, который говорит о том, что одновременно обеспечить большое значение К_СР и широкую полосу усиливаемых частот невозможно. Поэтому реальные усилители, как правило, выполняют многокаскадными, причем каждый каскад выполняют широкополосным ( – велико), но с малым коэффициентом усиления, а общий коэффициент усиления определяют как произведение коэффициентов усиления отдельных каскадов. При исследовании качественных показателей характеристик усилительного каскада используется схема, приведенная на рис.10.