2.3.Усилители с емкостной связью на транзисторах. Схема с общим эмиттером в области средних частот

В усилительных каскадах в качестве нагрузки довольно часто используют резисторы, а для связи между усилителями применяют разделительные конденсаторы. Такие усилители называются усилителями с RC связью иди усилителями RC-типа.

В усилителях RC-типа транзисторы могут быть включены по схеме ОЭ, ОБ, 0К. На рис. 2.5 приведена схема усилителя RC типа с ОЭ. В этой схеме резисторы R1, R2 и R_э задают необходимое смещение на переходе база-эмиттер и обеспечивают необходимую стабилизацию рабочей точки. Резистор R_э вносит OOС по постоянному току.

Рис. 2.5. Усилитель RC–типа по схеме ОЭ

Для стабилизации потенциала базы относительно общей шины ток через резисторы R₁ и R₂ выбирают в несколько раз большим тока базы. В этом случае ток коллектора с изменением температуры будет изменяться очень мало, так как увеличение тока эмиттера (при увеличении температуры) вызывает уменьшение разности потенциалов база-эмиттер, что препятствует увеличению тока коллектора.

Конденсаторы С₁, С₂ — разделительные конденсаторы. Они разделяют постоянные и переменные составляющие входной и выходной цепи С_э — блокировочный конденсатор. Он устраняет ООС по переменному току. При его отсутствии коэффициент усиления по переменному напряжению будет очень мал и приблизительно равен отношению коллекторного и эмиттерного резисторов.

При проектировании усилительных устройств требуется определять постоянные и переменные составляющие токов и напряжений. Постоянные составляющие характеризуют режим работы транзистора, а переменные составляющие - величины усиливаемых сигналов. Постоянные составляющие токов и напряжений сравнительно просто и достаточно точно можно определить графически по соответствующим ВАХ характеристикам транзистора. Однако следует отметить, что графический метод оказывается не совсем удобным для учета влияния разброса параметров транзисторов и их температурной зависимости. Значительно праще эта задача решается при использования эквивалентных схем, которые позволяют аналитически определять постоянные составляющие токов и напряжений. При определении же переменных составляющих токов и напряжений почти всегда отдается предпочтение аналитическим методам расчета с использованием эквивалентных схем.

Анализ работы транзисторных усилителей обычно проводят для областей средних, низких и высоких частот. В области средних частот коэффициент усиления усилителя постоянен и линейных искажений не наблюдается. Так как линейные искажения обусловлены имеющимися в усилителе реактивными элементами, то очевидно, что в области средних частот разделительные и блокировочные конденсаторы не влияют на работу усилителя и их можно считать короткозамкнутыми. По переменному току источник питания также считается короткозамкнутым. Паразитные емкости транзистора, емкость монтажа и нагрузки при этом считаются разомкнутыми. Учитывая вышесказанное, рассматриваемый усилительный каскад (рис. 2.5) можно представить в виде эквивалентной схемы рис. 2.6. Здесь транзистор представлен в виде упрощенной эквивалентной схемы, а делитель из резисторов R₁ и R₂ заменен одним резистором = R₁||R₂.

Рис. 2.6. Эквивалентная схема усилителя RC–типа по схеме ОЭ

Из приведенной эквивалентной схемы прежде всего видно, что сопротивление для постоянной и переменной составляющих коллекторного тока различно.

Преобразовав входную цепь и заменив генератор тока в выходной цепи генератором напряжения, можно упростить данную эквивалентную схему. Проделав указанные преобразования, получим эквивалентную схему, приведенную на рис. 2.7. В этой схеме

r_к^* = .

Здесь r_к^* — дифференциальное сопротивление коллекторного перехода транзистора, включенного по схеме с 0Э. Для схемы рис. 2.7 справедлива система уравнений

U_вх = I_б(r_б + r_э) + I_кr_э,

0 = I_б r_э–I_б r_к^* + I_к(r_э + r_к^* + _н) (2.2)

Рис. 2.7. Преобразованная эквивалентная схема усилителя RC - типа

Воспользовавшись системой уравнений (2.2) определим основные параметры усилителя.

Входное сопротивление транзистора

r_{вх э} =

Если r_к^*» _н, то

r_{вх э} = r_б + r_э( 1 + ). (2.3)

Входное сопротивление усилительного каскада с учетом резисторов R₁ и R₂ будет меньше:

R_вх = r_{вх э} || (R₁ || R₂).

Коэффициент усиления по току транзистора можно найти из второго уравнения системы (2.2):

К_I^’ = = = .

Видно, что коэффициент усиления по току транзистора К_I^′ возрастает с уменьшением _н и стремится к значению . Коэффициент усиления по току усилительного каскада К_I = IR_н / I_г можно найти, определив ток, потребляемый от источника сигнала I_г и ток, протекающий по сопротивлению нагрузки для чего воспользуемся эквивалентной схемой для входной цепи транзистора в области средних частот представленной на рис. 2.8.

Рис. 2.8. Эквивалентная схема входной цепи усилителя с ОЭ на средних частотах

Запишем выражение для тока I_г

.

Очевидно, что выходную цель усилителя также можно представить в виде рис. 2.8, только вместо тока I_г в этой схеме будет ток коллектора I_к , и вместо резисторов R и r_{вх э} — соответственно резисторы R_к и R_н. Тогда по аналогии можно записать

,

откуда определяется ток

.

Подставим найденные значения токов в выражение (2.3) и найдем

.

В этом выражении коэффициенты и представляют собой коэффициенты токораспределения в выходной и во входной цепи усилителя.

Из выражений (2.2) можно также найти коэффициент усиления по напряжению К_U^’=U_вых/U_вх:

Если r_к^*» _н, то:

.

Относительно источника (см. рис. 2.7)

.

Относительно источника (см. рис. 2.6, 2.8)

Для определения выходного сопротивления рассмотрим вновь эквивалентную схему, приведенную на рис. 2.7.

Так как r_э«r_к^*, то r_э без большой погрешности можно считать по переменному току короткозамкнутым. Тогда выходное сопротивление усилителя r_вых=r_к^*|| R_к. При низкоомной нагрузке, когда R_к«r_к^*, выходное сопротивление усилителя будет определяться величиной сопротивления резистора, включенного в коллекторную цепь транзистора R_к.