Широкополосный усилитель переменного напряжения

Рассмотрим схему широкополосного усилителя на сопротивлениях на рис. 6.15, который может усиливать сигнал в заданной полосе частот от f_Н и f_В .

Рис. 6.15.

Схема усилителя переменного напряжения.

Сопротивление R_g и ёмкость C_g образуют цепь автоматического смещения, задача которой – задать постоянное напряжение на затворе.

Переходная ёмкость C_П включается только для того, чтобы отсечь постоянную составляющую на выходе. На рабочих частотах усилителя её импеданс обычно выбирают много меньше сопротивления нагрузки. Выходное сопротивление генератора R_ГЕН обычно очень мало, и его можно не учитывать.

Нетрудно установить, что усилитель может описываться схемой с эквивалентным источником напряжения, изображённым на рис. 6.16. Удобство такой эквивалентной схемы состоит в том, что формально входная и выходная цепочки разнесены, и они могут рассчитываться отдельно. На эквивалентной схеме мы опустили сопротивление R_ЗИ , полагая, что оно значительно превосходит R_З.

Рис. 6.16.

Эквивалентная схема усилителя с эквивалентным источником напряжения. Минус перед μ U_ab означает только тот факт, что выходное напряжение противофазновходному.

Входная цепь Выходная цепь

Ёмкость C₁ во входной цепи позволяет не пропускать на вход усилителя частоты ниже f_Н , поскольку эта ёмкость вместе с сопротивлением R_BX работает как делитель напряжения. Ёмкостью C_BX пока пренебрегаем.

R_BX = R_З·R_ЗИ / (R_З + R_ЗИ ). R_ЗИ обычно много больше R_З .

Таким образом, меняя C₁ (или R_З), можно изменять нижнюю граничную частоту f_H . Манипулируя же частотными зависимостями импедансов в выходной цепи, можно дополнительно управлять частотной зависимостью коэффициента усиления на высоких частотах. Более подробный расчёт транзисторных схем сильно ограничен значительным разбросом параметров транзисторов.

Показанные пунктиром на схеме рис. 6.15 C_BX и C_ВЫХ являются паразитными ёмкостями, которые зависят от конструкции транзистора и геометрии монтажа – обычно их стараются сделать как можно меньше. Очевидно, что C_BX шунтирует входное сопротивление на частотах выше , что обычно нежелательно.

Аналогично C_ВЫХ шунтирует сопротивление на частотах выше ,

где . В результате наличие этих паразитных ёмкостей ограничивает сверху полосу работы усилителя. С другой стороны, не всегда нужна широкая полоса усилителя, и её можно ограничить, добавляя дополнительную ёмкость, включённую параллельно C_ВЫХ . Иногда усилитель работает на ёмкостную нагрузку. Это тоже можно учесть в нашей схеме.

Для того, чтобы получить усилитель с заданными граничными частотами f_H и f_В на уровне 0.7 надо выбрать ёмкости и сопротивления следующим образом:

(6.13)

Для других значений неравномерности можно вспомнить формулы (6.4) и (6.5):

Резонансный усилитель

Рассмотрим опять схему усилителя на рис. 6.14 и положим, что Z >> Z_Н , а импеданс Z_Н образован резонансным контуром, как показано на рис. 6.17. Тогда, используя (6.9 и 6.11), получим, что коэффициент усиления равен:

(6.14)

где для простоты принято, что сопротивление контура Z_H достаточно малό: Z_H << R_СИ . Мы видим, что зависимость коэффициента усиления практически повторяет зависимость импеданса контура.

Рис. 6.17.

Резонансный усилитель.

Замена сопротивления R_Н на резонансный контур с импедансом Z_H приводит к резонансной зависимости коэффициента усиления.

Таким образом, получился резонансный усилитель. Меняя параметры контура, можно варьировать среднюю частоту и ширину полосы коэффициента усиления.

Заметим, что резонансный контур можно включать не только в цепь стока, но и в цепь затвора. Во всех этих случаях можно получить резонансную зависимость коэффициента усиления.

Обратные связи в усилителях

В усилителях часто используют обратные связи, чтобы реализовать нужные свойства. Примеры обратных связей по напряжению приведены на рис. 6.18.

Рассмотрим более подробно усилитель с последовательной по напряжению обратной связью, изображённый на рис. 6.18 слева. Пусть усилитель без обратной связи характеризуется коэффициентом усиления K, а цепочка обратной связи – коэффициентом передачи β. Тогда имеем:

U_AB = U_BX + β U_ВЫХ , U_BX = U_AB – β U_ВЫХ и U_ВЫХ = K U_AB . (6.15)

Последовательная Параллельная

Рис. 6.18. Последовательная и параллельная обратная связь по напряжению.

Отсюда нетрудно найти коэффициент усиления K_β с обратной связью:

(6.16)

Подчеркнём, что величины K = K(ω) и β = β(ω) зависят от частоты и в общем случае являются комплексными:

Если то Положительная обратная связь. (6.17)

Если то Отрицательная обратная связь. (6.18)

В усилителях чаще применяется отрицательная обратная связь (6.18). При этом эффективный коэффициент усиления уменьшается, но расширяется частотная характеристика.

При β₀ K₀ >> 1 эффективный коэффициент усиления усилителя с сильной отрицательной обратной связью практически не зависит от первоначального коэффициента усиления K₀ :

В случае (6.17) обратную связь называют положительной. Такая связь увеличивает эффективный коэффициент усиления, но частотная характеристика становится у́же.

Случай β₀ K₀ = 1 соответствует неустойчивости, который реализуется в генераторах электрических колебаний, и который мы рассмотрим ниже в разделе о генераторах.