Частотные свойства транзисторных усилительных каскадов.

Усилительные свойства каскада зависят от частоты. Эту зависимость обычно рассматривают в трех областях; в области низких частот (НЧ), в области средних частот (СЧ) и в области высоких частот (ВЧ). Типичная амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) усилительного устройства показана на рис.2.1.
Область средних частот является основной рабочей областью. В ней пренебрегают частотной зависимостью коэффициента усиления, считают его равным К₀. Протяженность и положение областей НЧ, СЧ, ВЧ характеризуют с помощью граничных частот f_Н и f_В , которые часто определяют по уровню 0,707 от номинального значения К₀ и обозначают f_Н0,7 ; f_В0,7 соответственно.

Частотные свойства усилительного устройства также можно описать его нормированной амплитудно-частотной характеристикой (НАЧХ) М(f)=K(f)/K₀, представляющей относительные изменения коэффициента усиления К(f) от частоты.

Область низких частот. В области НЧ уменьшение коэффициента усиления определяется тем, что в усилительном каскаде разделительные и шунтирующие (блокирующие) конденсаторы обладают заметным сопротивлением, в результате чего передаточные свойства каскада имеют заниженное по сравнению с К₀ значение. В исследуемом каскаде (см. рис.схема стенда) в качестве разделительного конденсатора для схем ОЭ и ОК используется С2 (S1- 4, 2, 3) или последовательное соединение С1 и С2 (S1-1). Цепь с конденсатором С_Р , разделяющим на постоянном токе участки цепи с сопротивлениями R1 или R2, можно представить в виде эквивалентной схемы, содержащей генератор сигнального напряжения с выходным сопротивлением R_г (R1 или R2) и последовательно включенные конденсатор С_Р, и резистор R_вх сопротивление которого равно входному сопротивлению усилительного каскада (рис.2.2а).

Коэффициент передачи такой разделительной цепи

его НАЧХ определяется соотношением

где , t_р=Ср(R_г +R_вх) –постоянная времени разделительной цепи.

Дополнительным источником ухудшения усилительных свойств в области НЧ при схеме с ОЭ являются конденсатор С_ш каскада (в схеме стенда С₄), включенный в эмиттерную цепь транзистора (см.рис.2.2,б). РезисторR_э служит для создания отрицательной обратной связи на постоянном токе, благодаря которой в каскаде обеспечивается хорошая стабильность и определенность положения исходной рабочей точки. Конденсатор С_шшунтирует на СЧ резистор R_э, вследствие чего в этой частотной области отрицательная обратная связь не действует и каскад обладает требуемым высоким усилением К₀. На низких же частотах шунтирующее действие конденсатора С_ш становится недостаточно эффективным, в результате этого в каскаде возникает отрицательная обратная связь, снижающая коэффициент усиления. Относительное уменьшение М_э усиления К₀ из-за действия указанной обратной связи определяется формулой:

где –постоянная времени нагрузки в цепи эмиттера.

Общее снижение усиления М_Нå на НЧ из-за разделительной и эмиттерной цепей

М_Нå=M_р´ M_э.

Коррекция хода частотной характеристики в области НЧ может быть достигнута за счет использования в нагрузке каскада цепи, имеющей повышенное по сравнению СЧ сопротивление, например, дополнительного резистора R15, зашунтированного конденсатором С9 (см.рис.стенд).

Область высоких частот. В ВЧ - области снижение усиления обусловлено, с одной стороны, ухудшением усилительных свойств самого транзистора (уменьшением модуля коэффициента передачи тока h₂₁), а с другой – заметным шунтирующим влиянием паразитной емкости С_å (рис.2.3, а) на выходе каскада.

Относительное уменьшение усиления из-за частотной зависимости |h₂₁| для схем ОЭ и ОБ определяется соотношением

(2.4)

где: w_τ=1/τ, t - постоянная времени транзистора.

Шунтирующее действие С_å уменьшает усиление на ВЧ в соответствии со следующей формулой:

(2.5)

где t_с=С_å´R^¢_н (R_н^¢– полное активное сопротивление на выходе каскада, включающая выходное сопротивление транзистора 1/h₂₂ c включёнными параллельно сопротивлениями цепи смещения и нагрузки) На схеме с ОЭ (рис 2.3) R_н^¢=1/(1/h_22э+1/R_к+1/R_н).

Общее относительное усиление на ВЧ

(2.6)

Коррекцию частотных искажений в области ВЧ, обусловленных уменьшением модуля коэффициента передачи тока |h₂₁| можно осуществить в схемах ОЭ с помощью дополнительного резистора R_э, включенного в эмиттерную цепь транзистора. Резистор R_э создает отрицательную обратную связь, в результате чего постоянная времени эквивалентного включающего R_э транзистора уменьшается в F_оэ раз, где F_оэ=1+(h_21э/h_11э)R_э, t_f=t/F_оэ. Следует отметить, что введение в схему каскада резистора R_э сопровождается уменьшением коэффициента усиления К₀ в F_оэ раз, К_0f= К₀/F_оэ.

Искажения из-за паразитной емкости С_å могут быть уменьшены за счет введения в нагрузку каскадов (см.рис.2.3, а) дополнительной индуктивности L,а также с помощью частотнозависимой отрицательной обратной связи, создаваемой дополнительной цепочкой R_корС_кор (см.рис.2.3,б). В качестве корректирующей эмиттерной цепочки R_корС_кор в макете (см.рис.стенда) используются элементы R6,C7. При эмиттерной коррекции в каскаде создается отрицательная обратная связь, которая из-за малого значения емкости конденсатора С_кор (С7) создает заметное снижение усиления на СЧ. В области ВЧ конденсатор С_кор начинает проявлять заметное шунтирующее влияние на резистор R_кор (R6), уменьшающее глубину обратной связи. Благодаря этому происходит улучшение передаточных свойств эквивалентного транзистора по сравнению со средними частотами. Таким образом, эквивалентный включающий цепочку R_корС_кор транзистор имеет подъем НАЧХ в области ВЧ.

При рассмотрении АЧХ каскада за начало корректирующего действия цепочки R_корС_кор можно принять частоту f_кор, на которой выполняется условие

R_кор=1/2pf_корС_кор. Наилучшие по равномерности частотные характеристики получаются в каскаде, если элементы R_кор,С_кор удовлетворяют условию t_кор=t_с, где t_кор= R_кор,С_кор.

Дополнительным источником спада амплитудно-частотной характеристики каскада в области ВЧ может являться его входная емкость С_вх, которая совместно с сопротивлением R_Г источника сигнала (рис.2.4) образует

фильтр нижних частот с НАЧХ вида

где t_вх=С_вхR_вхэкв – постоянная времени указанного фильтра;

Для схемы ОЭ С_вх»C_бэ+C_к(K₀+1); ОК- С_вх»С_к+С_бэ(1-К₀), где С_бэ– ёмкость перехода база - эмиттер; С_к – емкость коллекторного перехода (для различных марок транзисторов С_к лежит в пределах от десятых долей до единиц пикофарад).

С точки зрения уменьшения спада НАЧХ М_вх в области ВЧ, желательно использовать такие схемы включения, при которых С_вх мало. Наименьшее значение С_вх обеспечивает включение ОК. Снижению С_вх может способствовать введение в каскад ОЭ сопротивление обратной связи R_э , уменьшающего постоянную времени транзистора и коэффициент К₀ в F_оэ=1+(h_21э/h_11э)R_э раз. Малые частотные искажения во входной цепи имеют место также при работе от источников сигнала с малым значением сопротивления R_с , например, когда в качестве источника сигнала используется схема ОК.

Частотные искажения вызывают нарушение соотношения между спектральными составляющими сигнала, что обычно ведет к искажению формы усиливаемых сигналов. Эти искажения не связаны с нелинейностью вольт-амперных характеристик, не приводит к появлению новых составляющих в спектре; в связи с этим указанные искажения часто называют линейными.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1