2.7. Добротность каскада

В усилительной технике применяется понятие площадь усиления или по-иному добротность каскада. По определению добротность это:

или .

Первая формула используется в усилителях переменного тока, а вторая - в импульсных. По своей физической сути добротность характеризует предельные возможности усиления каскада. Явный вид второй формулы при условии и при подстановке коэффициента передачи по напряжению в области средних частот и времени нарастания фронта импульса будет:

.

Рассмотрим частные случаи. При , то есть , , и получим:

.

При получим , ,

.

Применим также . Тогда:

.

Для идеального генератора получим добротность транзистора:

.

Обычно . Тогда . Выражение в знаменателе – постоянная времени цепи обратной связи транзистора (дается в справочниках по транзисторам).

Для промежуточного каскада, когда при

.

Максимум этой функции будет при

и он равен:

.

Значение рекомендуют рассчитывать в многокаскадных усилителях.

Существует также ряд схемных решений, позволяющих увеличить площадь усиления каскада как за счет подъема коэффициента усиления по напряжению в области высших, так и в области низших частот. Например, емкостная (RC) коллекторная низкочастотная коррекция, высокочастотная емкостная эмиттерная коррекция и т. д. Со всеми этими вопросами можно подробнее ознакомиться в литературе по широкополосным усилителям.

Вопросы и задания для самопроверки к главе II

1. Почему многокаскадный усилитель с разделительными конденсаторами называется каскадом с RC – связями?

2. В чем состоит подход к рассмотрению многокаскадных усилителей?

3. Что Вы можете сказать о точности определения усилительных параметров каскада на биполярном транзисторе в схеме с общим эмиттером (ОЭ)?

4. Выведите , , , , для области средних частот.

5. Определите возможные значения , если каскад работает от аналогичного, на аналогичный, являясь промежуточным.

6. Охарактеризуйте частотные свойства каскада. Что влияет на в области низших, а что в области высших частот?

7. Как влияет каскад на передачу импульсных сигналов?

8. Какой смысл вложен в термин "площадь усиления"?

9. Как влияют нагрузка и генератор на добротность каскада?

10. Получите выражение для с учетом дифференциального сопротивления коллекторного перехода.

11. Выведите параметры усилительного каскада для области средних частот с учетом внутренней обратной связи по току.

12. Как влияет внутренняя обратная связь транзистора по напряжению на усилительные параметры каскада?

13. Напишите формулы усилительных параметров каскада, как это принято в теории цепей.

Глава III другие однотранзисторные

УСИЛИТЕЛЬНЫЕ КАСКАДЫ С RC-СВЯЗЯМИ

3.1 Эмиттерный повторитель

Схема простого эмиттерного повторителя (ЭП) показана на рис.3.1, а. Название объясняется тем, что выходное напряжение практически совпадает с входным по величине и отсутствует фазовый сдвиг (инверсия фазы). Эквивалентная схема для области средних частот представлена на рис.3.1., б. Считаем, что нагрузка чисто активная. Резистор выполняет роль нагрузки на постоянном токе. Базовый ток задается делителем на резисторах и . Иногда резистор в схему не ставят вообще с целью повышения входного сопротивления. Поскольку резистор в цепи коллектора отсутствует, напряжение источника питания делится между транзистором и , резистор может быть выбран достаточно большим. Следовательно может быть получена высокая температурная стабильность каскада (S = 4...5). Расчет каскада на постоянном токе аналогичен расчету схемы с общим эмиттером. Базовый делитель задается из условия: . По этой причине он отсутствует в эквивалентной схеме. Направление токов соответствует транзистору n-p-n. Определим основные усилительные параметры.

В ходное сопротивление . Входное напряжение приложено

Эмиттерный повторитель (а) и его эквивалентная схема для области средних частот (б)

к резистору и цепи . По первому резистору течет ток , по второму . Тогда . Так как , то

. (3.1)

Для оптимального режима работы транзистора (не микрорежим) и

,

или приближенно:

.

Максимум будет при условии холостого хода на выходе и , то есть . Таким образом, входное сопротивление повторителя не может быть больше дифференциального сопротивления коллекторного перехода транзистора в схеме с общей базой. При работе в микрорежиме пренебрегать дифференциальным сопротивлением эмиттерного перехода нельзя. Для малых значений , когда , . В самом общем случае .

Коэффициент передачи по напряжению равен . Из эквивалентной схемы . Найдем ток базы. На переменном токе по эквивалентной схеме сопротивление генератора включено последовательно с входным сопротивлением каскада. По Кирхгофу , откуда . Подставим ток базы в , разделим на и получим коэффициент передачи:

. (3.2)

В обычных условиях (не микрорежим) и

.

Из выражений следует, что зависит от и суммарной нагрузки , а по величине он меньше единицы. Максимум получается в режиме холостого хода на выходе ( ) и при идеальном генераторе :

.

Получили, что коэффициент передачи каскада равен коэффициенту передачи транзистора по напряжению.

В другом частном случае, когда получим (без расшифровки входного) сопротивления:

.

К оэффициент передачи по току равен . Так как мы рассматриваем передачу тока, то воспользуемся эквивалентной схемой рис.3.2., где для простоты пренебрегли сопротивлением эмиттерного перехода. Обозначим . Тогда , ,

. Подставим в последнее , расшифруем и найдем ток нагрузки

.

Так как выходной ток это ток эмиттера, а , то

.

Воспользуемся выражением тока базы, полученным ранее . Подставим его в ток нагрузки и, поделив на ток генератора, получим:

Эквивалентная схема повторителя для

определения коэффициента передачи по току

. (3.3)

Если , то коэффициент передачи .

Максимум будет, если генератор тока идеальный и в режиме короткого замыкания на выходе ( ): .

Таким образом, эмиттерный повторитель может использоваться как усилитель тока или как усилитель мощности.

Выходное сопротивление найдем в несколько этапов. Сначала найдем сопротивление в точке (рис.3.3.). На переменном токе генератор э.д.с подключен к каскаду через разделительный конденсатор, а выходное сопротивление определяется в режиме холостого хода на входе. Для запуска схемы приложим к участку вспомогательное напряжение . При этом потечет ток

: , , .

Выходное сопротивление в точке Э будет равно:

.

П

Эквивалентная схема повторителя для определения выходного сопротивления

одключим параллельно резистор .

Получим . Подставим .

.

Так как , то

.

Поскольку , то окончательно имеем

.

Выходное сопротивление зависит от сопротивления источника сигнала и растет с увеличением .

Минимальное сопротивление получается при :

.

Выходное сопротивление повторителя обычно лежит в пределах от долей и единиц до одной – двух сотен Ом.

Динамический диапазон входных сигналов у эмиттерного повторителя самый большой из всех усилительных каскадов. Объясняется это тем, что потенциал эмиттера из-за того, что значительно превышает сопротивление участка база-эмиттер, практически повторяет потенциал базы, то есть входной сигнал. Принято считать, что верхний предел равен условно В. Нижний предел определяется условием . Сопротивление эмиттерного перехода и нагрузочные резисторы образуют резистивный делитель напряжения, коэффициент передачи которого при невыполнении условия становится существенно меньше единицы.

Частотные и временные свойства повторителя в области больших времен и низших частот не отличаются от других усилительных каскадов Можно воспользоваться формулами схемы с общим эмиттером, подставив в них значения входного и выходного сопротивлений эмиттерного повторителя.

В области высших частот и малых времен повторитель существенно отличается от схемы с общим эмиттером. Основной параметр повторителя – входное сопротивление зависит от частоты. Комплексный входной импеданс записывается так [1]:

, где ,

, , , , .

Эмиттерные повторители могут применяться как согласующие каскады (малое выходное и большое входное сопротивления) или как усилители мощности.