Характеристики усилителей напряжения в области средних звуковых частот.

В диапазоне средних звуковых частот влиянием реактивных элементов можно пренебречь, т.к. в нем выполняются два неравенства:

; .

В этом случае выходная цепь четырехполюсника будет иметь вид приведенный на Рис. 5.7.

Рис. 5.7 – Выходная цепь четырехполюсника в области СЧ.

Коэффициент передачи в этом диапазоне будет определятся следующим выражением:

.

Исходя из этого, частотные характеристики усилителя будут иметь следующий вид (см. Рис. 5.8).

Рис. 5.8 – частотные характеристики усилителя напряжения в области СЧ.

(а – АЧХ, б – ФЧХ, в - АФЧХ)

5.3. Низкие звуковые частоты.

В области нижних звуковых частот пренебрегают влиянием суммарной емкости нагрузки С_НS, но учитывают влияние С_Р т.к. неравенство (2) на низкой частоте выполняется с запасом, а (1) не выполняется, что требует учета сопротивления разделительного конденсатора С_Р. В этом случае модель выходной цепи четырехполюсника будет иметь вид, приведенный на Рис. 5.9.

Рис. 5.9 – Модель выходной цепи усилителя напряжения в области НЧ.

Коэффициент передачи, или коэффициент усиления усилителя в области низких частот , в этом случае будет определяться выражением:

.

Выполнив некоторые преобразования получим:

.

Для построения АЧХ определим модуль коэффициента передачи в области низких частот:

,

где .

Согласно полученного выражения с уменьшением частоты растет b и уменьшается модуль . АЧХ будет иметь вид приведенный на Рис. 5.11(а).

Коэффициент частотных искажений в области низких частот определяется выражением:

,

а его модуль имеет вид:

.

Следовательно – характеризует степень уменьшения по отношению к К_СР и определяется для самой низкой частоты усиливаемого сигнала. Для многокаскадного усилителя коэффициент частотных искажений обычно распределяют равномерно между всеми каскадами, тогда

.

При проектировании усилительных каскадов, в области низких звуковых частот по заданным значениям R_Вых, R_Н, ½M_Н½, f_Н , определяют требуемое значение емкости конденсатора С_Р:

,

где w_Н – низшая граничная частота входного сигнала.

Для оценки фазового сдвига вносимого усилителем на низких частотах построим векторную диаграмму для модели усилительного каскада приведенной на Рис. 5.9:

Рис. 5.10 – Векторная диаграмма усилителя для схемы с ОЭ в области НЧ.

Из Рис. 5.10. видно что , . При ; т.к. U_Ср®¥. Следовательно, фазовый сдвиг искажений, вносимый каскадом усиления с ОЭ можно определить как:

(см. Рис. 5.11.г)

С учетом вышеизложенного, частотные характеристики усилителя АЧХ, ФЧХ и АФЧХ в диапазоне НЧ будут иметь вид приведенный на Рис. 5.11.

Рис. 5.11 – частотные характеристики усилителя в области НЧ.

(а – АЧХ, б – ФЧХ, в - АФЧХ)

5.4. Работа усилителя в области верхних звуковых частот.

В области верхних звуковых частот пренебрегают влиянием С_Р, иучитывают влияние суммарной емкости нагрузки С_НS, т.к. в данной области частот сопротивление С_НS становится соизмеримо с R_Н и включено параллельно, а сопротивление С_Р становится пренебрежительно малым и включено последовательно с нагрузкой, следовательно им можно пренебречь. В этом случае выходная цепь усилительного каскада, как четырехполюсника, будет иметь вид приведенный на Рис. 5.12.

Рис. 5.12 – модель выходная цепь усилительного каскада в области ВЧ.

Коэффициент передачи или коэффициент усиления в области верхних частот , в этом случае будет определяться следующим выражением:

.

После преобразований получим:

.

Для построения АЧХ определим модуль коэффициента передачи :

,

где .

Согласно полученного выражения с увеличением частоты растет b и уменьшается модуль .

В этом случае АЧХ имеет вид, показанный на Рис. 5.14(а).

Коэффициент частотных искажений определяется аналогично:

,

а его модуль имеет вид:

.

В области высоких звуковых частот зная С_НS, R_Н, ½M_В½, f_В определяют R_Вых. Такой расчет должен предшествовать расчету по переменному току и максимальное значение R_Вых, определенное для схем с ОЭ и ОБ поставит ограничение сверху на выбор резистора R_К по постоянному току.

Для оценки фазового сдвига вносимого усилителем на высоких частотах, аналогично низким частотам, построим векторную диаграмму для модели, приведенной на Рис. 5.12. Диаграмма построена для каскада с ОЭ, т.к. вектор направлен противоположно вектору . Для схем усилительных каскадов с ОБ и ОК вектор будет направлен по вектору . Из диаграммы видно, что фазовый сдвиг вносимый усилителем меньше 180°. При w_В®¥ j®90°, т.к. I_НS®¥. Фазовый сдвиг искажений, вносимый каскадом усилителя с ОЭ в области ВЧ определяется аналогично:

.

Рис. 5.13 – Векторная диаграмма усилителя в области верхних частот.

С учетом вышеизложенного, частотные характеристики усилителя в области ВЧ будут иметь вид приведенный на Рис. 5.14).

Рис. 5.14 – частотные характеристики усилителя в области ВЧ

(а – АЧХ, б – ФЧХ, в - АФЧХ).

Если граничная частота усиления транзистора, на порядок или хотя бы в 3¸5 раз превышает максимальную частоту входного сигнала усилителя f_В, то влиянием транзистора на частотные характеристики усилителя можно пренебречь. Если же данные частоты соизмеримы, то необходимо учитывать частотные свойства транзистора. Коэффициенты усиления по току для схем с ОБ и ОЭ, с учетом их частотных свойств, имеют вид:

; .

Для схемы с ОБ граничная частота на порядок больше чем у схемы с ОЭ, следовательно схема с ОБ обладает лучшими частотными характеристиками.

Коэффициенты частотных искажений для транзистора можно определить аналогичным образом:

, .

Общий коэффициент частотных искажений каскада, с учетом частотных свойств транзистора, будет определяться произведением коэффициента частотных искажений каскада и коэффициента частотных искажений транзистора:

.