Режим усиления переменного сигнала

Область средних частот. Областью средних частот (СЧ) считается частотный диапазон нормальный работы каскада, когда сопротивления проходных конденсаторов С1, С2 и конденсатора С_Э пренебрежимо малы, а инерционность транзистора еще не сказывается на работу каскада. Схема замещения строится для усиливаемого сигнала переменного тока, при этом источники других сигналов заменяются их внутренними сопротивлениями. Источник питания, обладающий нулевым внутренним сопротивлением, заменяется закороткой. При малой амплитуде переменного сигнала параметры транзистора изменяются не существенно и его можно заменить линейной схемой замещения. Схема замещения каскада для области средних частот приведена на рис.2.4.

Рис.2.4. Схема замещения каскада с ОЭ для области средних частот:

– входное сопротивление транзистора;

r_Б, r_Э – базовое и эмиттерное сопротивления схемы замещения;

- эквивалентное сопротивление делителя

Из рис.2.4 видно, что благодаря нулевому сопротивлению емкости С_Э в области СЧ эмиттер является общей точкой для входного U_ВХ и выходного U_Н сигналов. Это свойство и определило название каскада.

Анализ схемы замещения ведется как анализ обычной линейной электрической цепи. Для входного тока транзистора справедливо отношение

. (2.5)

Ток источника тока распределяется между тремя, включенными параллельно, сопротивлениями r_K, R_K, R_H. Выходной ток каскада (ток нагрузки) равен

, (2.6)

где сопротивлением r_K обычно можно пренебречь, так как оно много больше остальных, включенных параллельно ему, сопротивлений.

Коэффициент усиления каскада по току в области средних частот, с учетом (2.5), (2.6), равен

. (2.7)

Коэффициент усиления каскада по напряжению в области СЧ

, (2.8)

где . (2.9)

Выходное сопротивление каскада – это сопротивление относительно точек, к которым подключена нагрузка (без учета самой нагрузки). Так как источник тока обладает бесконечным внутренним сопротивлением, то согласно рис.2.4. оно равно

. (2.10)

Коэффициенты усиления к_I, к_U и сопротивления R_ВХ, R_ВЫХ являются основными параметрами, описывающими усилительные свойства каскада.

Область низких частот. В области низких частот (НЧ) необходимо учитывать сопротивление конденсаторов С1, С2. Конденсатор С_Э выбирается с большим запасом и его сопротивление начинает сказываться только на сверхнизких частотах. Для области НЧ схема замещения приведена на рис.2.5.

Рис.2.5 Схема замещения каскада для низких частот

Рассмотрим входные цепи и оценим ослабление сигнала, связанное с сопротивлением конденсатора С1. Сопротивление Х_С1 включено последовательно с входным сопротивлением R_ВХ, при этом к R_ВХ приложена часть входного напряжения

, (2.11)

где - постоянная времени входной цепи каскада.

Из выражения (2.11) следует, что коэффициент ослабления напряжения входной цепью равен

. (2.12)

В выходной цепи ток распределяется следующим образом

.

Коэффициент ослабления выходной цепи в области НЧ равен

, (2.13)

где - постоянная времени выходной цепи.

Область высоких частот. В области высоких частот (ВЧ) начинает сказываться инерционность транзистора, которая проявляется в уменьшении коэффициента усиления по току и влиянии емкостей переходов транзистора. Снижение коэффициента усиления по току с ростом частоты описывается уравнением

, (2.14)

где , предельная постоянная времени,

– предельная частота усиления транзистора,

f_ГР – частота, на которой коэффициент усиления снижается до единицы.

Из емкостей транзистора практическое влияние оказывает только емкость коллекторного перехода С_К, которая включена параллельно сопротивлению r_K и соответственно R_K и R_H. Без учета r_K результирующее сопротивление равно

, (2.15)

где - постоянная времени коллекторной цепи.

Эти два фактора учитывают общей эквивалентной постоянной времени

, а коэффициент ослабления, обусловленный коллекторной емкостью и снижением коэффициента передачи по току, равен

. (2.16)

Комплексный коэффициент усиления каскада. Для всего частотного диапазона коэффициент усиления каскада должен рассматриваться как комплексная величина. С учетом всех коэффициентов ослабления комплексный коэффициент усиления по напряжению равен

. (2.17)

Так как входной ток каскада не ослабляется, то в комплексном коэффициенте усиления по току не учитывается коэффициент ослабления к₁

. (2.18)

Зависимость модуля коэффициента усиления от частоты называется амплитудной частотной характеристикой . Для удобства просмотра всей частотной характеристики ее строят в функции десятичного логарифма частоты, и называют логарифмической амплитудной частотной характеристикой (ЛАЧХ)

. (2.19)

Полосой пропускания усилителя называют диапазон частот, в котором коэффициент усиления уменьшается не более чем раз (по ЛАЧХ на -3 децибела). Граница по минимальной частоте называют нижней частотой пропускания , по максимальной частоте - верхней частотой пропускания . Для коэффициента усиления по напряжению, при условии , нижняя частота примерно равна , отсюда значения емкостей

, . (2.20)

___________________________________

Рис.2.5. Примерный вид ЛАЧХ для каскада с общим эмиттером

___________________________________