2.1.2. Режим сигнала

В режиме сигнала от генератора UZ на вход УК подается напряжение u_вх достаточно малой амплитуды для того, чтобы токи и напряжения транзистора находились в пределах линейных участков ВАХ. Такой сигнал принято называть малым, поэтому усилители, описываемые соотношением (2.1), относятся к малосигнальным устройствам. При экспериментальном исследовании УК чаще всего используется синусоидальный входной сигнал. При этом в цепи базы возникает переменная составляющая тока, усиливаемая транзистором. В результате в цепи коллектора протекает ток в h_21э раз больший, чем в базе. К коллектору присоединена нагрузка, на которой создается падение напряжения u_вых , превышающие по величине u_вх . Коэффициент усиления по напряжению имеет вид:

(2.4)

где -коэффициент усиления транзистора по току в схеме с ОЭ; -входное дифференциальное сопротивление транзистора в схеме с ОЭ;

- эквивалентное сопротивление нагрузки;

-объемное сопротивление базы; -дифференциальное сопротивление перехода эмиттер-база в рабочей точке.

Выражение (2.4) получено при следующих допущениях:

• транзистор полагается безынерционным;

• емкостные сопротивления конденсаторов С₂₂, С₅, С₆ пренебрежимо малы на самой низкой частоте сигнала из диапазона усиливаемых частот;

• пренебрегается внутренней обратной связью ( ) и выходной проводимостью ( ) транзистора.

Знак минус свидетельствует о том, что u_вых и u_вх находятся в противофазе, т.е. усилитель инвертирующий. При типовых значениях , Ом, Ом, Ом имеем .

Выражение (2.4) можно упростить, имея ввиду, что r_Б<< r_Э, а . В результате имеем

. (2.5)

При вышеуказанных типовых значениях получаем K_U = -80, что близко к полученному ранее значению K_U = -76.

Оценим предельное усиление УК на основе выражения (2.5). Пренебрегая объемным сопротивлением эмиттера, полагаем, что . Подставляя в (2.5), имеем

.

Максимальный коэффициент УК имеет место при холостом ходе, т.е. R₂₀ - :

. (2.6)

В классе усиления А на резисторе R₁₃ падает примерно половина напряжения питания. Другая половина приложена между коллектором и общей точкой. Поэтому

.

Подставляя последнее выражение в (2.6), получаем

.

Здесь учтено, что при комнатной температуре тепловой потенциал φ_Т ≈ 25мВ = 25•10^-3 В. Таким образом, предельное усиление каскада определяется только напряжением питания и не зависит от параметров транзистора и сопротивления коллекторной нагрузки R₁₃. Входное сопротивление каскада определяется эквивалентным параллельным соединением трех резисторов R₁₂, R₂₃ и . Обычно существенно меньше, следовательно,

. (2.7)

Выходное сопротивление каскада равно величине коллекторного сопротивления, т.е.

R_ВЫХ ≈ R₁₃ . (2.8)

Выражения (2.4)-(2.5) соответствуют случаю отсутствия отрицательной обратной связи по току сигнала (ООСС), так как предполагалось, что С₆ накоротко замыкает резистор R₂₄. На практике, однако, не удается полностью подавить ООСС, так как С₆ имеет конечную емкость. Поэтому при подключенном конденсаторе С₆ будем полагать, что ООСС значительно ослаблена. Рассмотрим случай, когда ООСС имеет место, для чего С₆ следует отключить. На R₂₄ током создается падение напряжения, которое вычитается из u_вх. Транзистор управляется разностью u_вх и u_R24, поэтому связь называется отрицательной. Оценим влияние ООСС на коэффициент усиления. Заметим, что R₂₄ включено последовательно с r_Э. Тогда в формулах (2.4), (2.5) можно заменить r_Э на r_Э+R₂₄. Из (2.5) получаем

. (2.9)

Имея в виду, что обычно R₂₄>>r_Э, последнее выражение можно упростить

. (2.10)

Сравнивая значения, полученные по формулам (2.5) и (2.10), можно сделать вывод, что ООСС значительно уменьшает усиление, но делает его более стабильным. Действительно, в (2.10) не входит величина r_Э, сильно зависящая от температуры, и K_U определяется только внешними резисторами.

Входное сопротивление определяется, параллельным соединением плеч делителя напряжения R₁₂, R₂₃, и h_11Э+ ( h_21Э+1) R₂₄. При этом, обычно, эквивалентное сопротивление делителя R _д.экв выбирается так, чтобы выполнялось неравенство

.

Поэтому

. (2.11)

Таким образом, R_вх при наличии ООСС возрастает по сравнению с (2.7). Выходное сопротивление практически не изменяется. Можно показать, что при ООСС расширяется полоса пропускания УК и уменьшаются нелинейные искажения. Следует отметить, что ООСП действует всегда, независимо от ООСС (т.е. не зависимо от наличия или отсутствия конденсатора С₆).

Независимо от ООСС, увеличение входного сигнала приводит к нелинейным искажениям выходного напряжения, которые обусловлены нелинейностью входных и выходных ВАХ транзистора. При выходе рабочей точки за границы линейной области, транзистор начинает переключаться из режима отсечки в режим насыщения и обратно. Это проявляется на осциллограмме выходного напряжения в виде горизонтальных участков (искажения типа “ограничение”). Такой режим работы называют ключевым и применяют в импульсной технике. Однако с позиции линейного усиления (2.1) ключевой режим неприемлем, и каскад уже нельзя рассматривать как малосигнальное устройство.

При работе УК все токи и напряжения представляют собой изменяющиеся во времени однонаправленные величины. Иными словами, все они состоят из постоянных составляющих, задающих режим покоя, и переменных составляющих, обусловленных сигналом. Для получения на нагрузке R₂₀ только переменной составляющей используется разделительный конденсатор C₅.

При исследовании режима сигнала необходимо для случаев с ослабленной и нормальной ООСС провести следующие эксперименты:

1. получить осциллограммы всех напряжений при малом входном сигнале (т.е. когда искажения u_вых незначительны);

2. получить осциллограммы u_вх и u_вых при значительных нелинейных искажениях;

По результатам экспериментов следует определить K_U, K_Uос для малого сигнала и сравнить их с расчетными величинами (2.5), (2.10). Необходимо рассчитать входное и выходное сопротивления по формулам (2.7), (2.8), (2.11), а также определить амплитуду (U_{вх m})_max , при которой появляются нелинейные искажения типа “ограничение”. Более подробно см. п. 2.3.2.