Понятие о динамическом режиме усилительных каскадов

Лекция 5 Динамический режим усилительных каскадов

Динамическим режимом усилителя называется режим, при котором в электродах транзистора кроме постоянных составляющих существуют и переменные токи и напряжения.

Динамический режим возникает, на вход усилителя подключается источник переменного напряжения.

Важными показателями каскада являются его коэффициенты усиления по току K_I, напряжению K_u и мощности K_p, а также вход­ное R_вх и выходное R_вых со­противления. Задача определе­ния этих показателей решается при расчете усили­тельного каскада по переменному току. Метод расчета основан на замене транзистора и всего каскада его схемой замещения по переменному току.

Рассмотрим RС-усилитель, который мы рассмотрели при расчете параметров статического режима (рис. 1).

Рис. 1

Конденсатор С1 называемый разделительным, препят­ствует связи по постоянному току источника входного сигнала с усилителем, что может вызвать нарушение ре­жима работы транзистора по постоянному току. Конден­сатор С₂, также называемый разделительным, служит для разделения выходной коллекторной цепи от внешней на­грузки по постоянному току. Конденсатор С_э обеспечивает увеличение коэффициента усиления усилителя по напря­жению, так как уменьшает амплитуду переменной состав­ляющей напряжения и_кэ (говорят, что конденсатор С_э ликвидирует отрицательную обратную связь на перемен­ном токе).

Проведем анализ усилителя с эмиттерной стабилизаци­ей по переменному току . Но для этого вначале изображают эквива­лентную схему усилителя, заменяя транзистор его эквивалентной схемой замещения. Для упрощения анализа часто в эквивалентной схеме замещения транзи­стора источником тока и резистором пренебрегают, так как велико , а мало .Получают эквивалентную схему замещения усилителя (рис. 2).

Рис. 2

Параметры элементов усилителя (в частности, емкос­ти конденсаторов C₁ C₂ и С_э) выбирают таким образом, чтобы в области средних частот переменные составляющие напряжений на конденсаторах C₁ C₂ и С_э были пре­небрежимо малы.

Полезно отметить, что амплитуды указанных перемен­ных составляющих зависят не только от емкостейC₁ C₂ и С_э. В соответствии с изложенным в линейной эквива­лентной схеме для средних частот сопротивлениями ука­занных конденсаторов пренебрегают.

Транзистор для усилителя выбирают таким образом, чтобы в области средних частот ухудшение его усилитель­ных свойств было незначитель­ным при увеличении частоты. Если обратиться к комплексному коэффициенту β, то сказанное означает, что выбирают транзистор с такой предельной частотой f_пред, которая не меньше наибольшей частоты из области средних частот. Поэтому в линейной эквивалентной схеме усилителя для средних частот не ис­пользуют емкости транзистора, а коэффициент β считают вещественным и постоянным.

В соответствии с изложенным, а также с целью упро­щения расчетов, в эквивалентной схеме транзистора ос­тавлены только резисторы с сопротивлением r_б, r_э и ис­точник тока, управляемый током β•i_б.

Поскольку нас интересуют только переменные состав­ляющие токов и напряжений, то величиной Е_к и сопро­тивлением источника питания Е_к пренебрегают. Будем считать, что R_Г = 0 и влиянием резисторов R₁ и R₂ на ко­эффициент усиления переменного сигнала и_вх можно пре­небречь.

Рассмотрим линейную эквивалентную схему для сред­них частот, изображенную на рис. 3.

Рис. 3

Ценность этой схемы не ограничивается тем, что она позволяет выполнить ручной расчет режима усиления. Еще более важно то, что эта схема помогает уяснить вли­яние параметров различных элементов усилителя на спо­собность усиливать входной сигнал. Из этой схемы хоро­шо видно, что для переменных составляющих токов и напряжений резисторы R_K и R_H включены параллельно. При ручных графических расчетах этот факт находит от­ражение в том, что на выходных характеристиках строят так называемую линию нагрузки на переменном токе ЛН~, наклон которой определяется величиной

Выше указывалось, что наклон линии нагрузки на по­стоянном токе ЛН= определяется величиной R_K+ R_Э . Именно по линии ЛН~ перемещается рабочая точка РТ (не НРТ!), характеризующая режим работы усилителя при наличии переменного входного сигнала u_вх. На рис. 4 указана амплитуда U_нт напряжения на нагрузке u_Н, равная амплитуде переменной составляющей напряжения u_кэ, и соответствующие предельные точки k и е на линии ЛН~. При этом предполагается, что ток базы изменяется в пре­делах от i_б1 до i_б3

Рис. 4

Изобразим временные диаграммы, ха­рактеризующие работу усилителя (рис. 5).

Рис. 5

Обратим внимание на тот факт, что выходной сигнал и_н сдвинут относительно входного и_вх на 180 ۫, т. е. RC-усилитель инвертирует сигнал по фазе. Иногда этот факт под­черкивают тем, что считают коэффициент усиления по напряжению отрицательной величиной.

Коэффициент усиления усилителя по напряжению К_u является одним из наиболее важных параметров усилите­ля. При условии, что R_Г = 0, коэффициент К_u определя­ется выражением

где U_вх.m —амплитуда входного напряжения u_вх.

Обратимся к линейной эквивалентной схеме для сред­них частот (рис. 3). Обозначим через I_б.m амплитуду пе­ременной составляющей тока базы. Тогда амплитуда I_э.m переменной составляющей тока эмиттера i_э равна (1 + β)·I_б.т величина U_вх определяется

Величина U_н.т определяется выражением

С учетом выражений для U_вх и U _н.m получим

Обозначим через r_д.оэ входное дифференциальное со­противление транзистора для схемы с общим эмиттером. Очевидно, что

В соответствии с этим можно записать:

Важными параметрами усилителя являются его входное и выходное сопротивления. Из линейной эквивалентной схемы, соответствующей принятым допущениям, хорошо видно, что входное сопротивление усилителя фактически является входным дифференциальным сопротивлением транзистора для схемы с общим эмиттером (r_д.оэ). Очевид­но и то, что выходное сопротивление усилителя равно ве­личине R_K.

Коэффициент усиления по току K_i определяют выра­жением

где I_вхm и I_нm — соответственно амплитуды тока источника входного сигнала и тока нагрузки.

В соответствии с принятыми допущениями Легко заметить, что

С учетом этого получим

АЧХ и ФЧХ усилителя аналогичны типовым характеристикам, рассмотренным в предыдущем параграфе. Спад АЧХ в области низких частот обусловлен уменьшением коэффициента усиления усилителя за счет увеличения реактивного сопротивления емкостей С₁, С₂, С_э Спад АЧХ в области высоких частот обусловлен ограниченными частотными свойствами транзистора.