Попередні підсилювачі із резисторним навантаженням

Повна електрична схема резисторного підсилювального каскаду подана на мал. 5. Розглянемо призначення елементів цієї схеми.

Мал. 5

Резистори R₁ та R₂ утворюють подільник для надходження на базу транзистора напруги зміщення. Струм бази в початковому режимі I_б проходить по колу +Е_К , R_Е , дільниця емітер-база транзистора, R_Е ,-Е_К,

Резистор R_Е забезпечує температурну стабілізацію режиму спокою каскаду. Конденсатор С_Е шунтує резистор R_Е за змінним струмом. Відсутність конденсатора С_Е викликає зменшення коефіцієнта підсилення внаслідок наявності індуктивного зворотнього зв’язку.

Конденсатор С_Р1 є розділяючий. Він не дозволяв шунтування вхідного кола каскаду колом джерела сигналу за постійним струмом, що виключає проходження постійного струму через джерело вхідного сиг­налу, а також вплив внутрішнього опору джерела сигналу на напругу на базі в режимі спокою.

Конденсатор С_Р2 - також розділяючий. Він не дозволяє постійній складовій напруги джерела живлення Е_К надходити на базу тран­зистора слідуючого каскаду. Ємність цього каскаду обирається звичай­но достатньо великою, щоб сигнал проходив через неї без послаблення.

Живлення резисторних каскадів в багатокаскадаому підсилювачі здійснюється від одного загального джерела живлення. Оскільки колектори транзисторів окремих каскадів під’єднуються до джерела жив­лення паралельно, то всі каскади зв’язані між собою через внутріш­ній опір джерела живлення. Такий зв^’язок є паразитним і може привес­ти до погіршення характеристик підсилювача. Для зменшення його па­разитного зв’язку в колі живлення колектора вмикаються розв'язуючі фільтри R_Ф C_Ф.

Характеристики підсилювача (К_i, К_u, Р, R_вх, R_вих,) визначають користуючись еквівалентними схемами.

Еквівалентною схемою називають електричну схему, складену із лінійних елементів електричних кіл(опорів, ємностей, індуктивностей, генера­торів струму або напруги), властивості яких однакові із властивостям! реального пристрою(приладу).

Еквівалентна схема підсилювального каскаду складається із еквіва­лентної схеми підсилювального елемента та під'єднаних до неї прос­тих елементів (провідностей).Розрізняють два види еквівалентних схем: формальні і фізичні.

Формальні еквівалентні схеми складають на основі уявлення тран­зистора у вигляді активного лінійного чотириполюсника, властивості якого описуються рівняннями, що пов’язують струми і напруги на ви­ході через z- , у- або h-параметри.

Формальні схеми не розкривають фізичних властивостей транзистора, а відбивають тільки реакцію схеми на струми і напруги на зовнішніх клемах.

Фізичні еквівалентні схеми транзистора являють собою електричну модель транзистора. Елементи цих схем відображають внутрішні (фізич­ні) параметри транзистора. Фізичні еквівалентні схеми наочно демонст­рують фізичні властивості транзистора, включаючи в себе його фізичні параметри і роблять зручним аналіз впливу параметрів транзистора на параметри схем підсилювачів. Тому на практиці вони використовуються частіше других.

Еквівалентна схема, що відповідає принциповій схемі мал.5 подана на мал.6

В еквівалентній схемі мал.6,в частотно-залежні елементи С_Р2, і С_0. Це значить, що при сталій амплітуді вхідної напруги - вихідна напру­га залежить від частоти вхідної напруги, тобто коефіцієнт підсилення каскаду залежить від частоти. Ця графічно виражена залежність коефіцієнта підсилення каскаду від частоти вхідного сигналу і є АЧХ.

При зменшенні частоти сигналу опір конденсатор С_Р2 збільшується, спад напруги на ньому зростає. В результаті напруга на виході U_ВИХ зменшується. Тому із зниженням частоти коефіцієнт підсилення каскаду зменшується.

На високих частотах відбувається шунтуючий вплив ємності С₀. Із підвищенням частоти вхідного сигналу опір ємності С₀ зменшується, а значить, і спад напруги сигналу на ньому зменшується. Тому із підвищенням частоти коефіцієнт підсилення зменшується.

В області середніх частот втрати напруги на конденсаторі С_Р2 невеликі.

Із еквівалентної схеми мал.6, мож­на бачити, що реактивні елементи С_Р2 і С₀ ввімкнені в різні дільниці схе­ми: С_Р2 -послідовно, а С₀ -паралель­но. Тому їх вплив на величину вхід­ного сигналу буде різним на різних частотах.

Для зручності аналізу характеристик підсилювача діапазон робочих частот його розділяють на три смуги: нижні частоти (від f_H до 300 Гц), середні (від 300 до З000 Гц) і верхні (від 3000 до f_B).

Відповідно для кожної області частот складають більш просту еквівалентну схему: в ній враховують тільки ті елементи, які здійснюють суттєвий вплив в даній області частот.

Мал. 8

1. Середні частоти. Впливом реактивних елементів С_Р і С₀ нехтують. Тому отримується еквівалентна схема, що подана на мал.

За еквівалентною схемою визначаємо вихідну напругу

U_вих = I_вих*R_вих =S_nU_nR_n

Тоді: (13)

Крутизна характеристики вихідного струму транзистора за напругою на емітерному переході:

(14)

Напруга на переході U_n=I_бr_бе (15)

Вхідна напруга U_вих=Iвх( r_ке+r_бе) = I_вхR_вх (16)

Підставивши ці значення у формулу для визначення К_U, отримаємо

При розрахунку транзисторних каскадів звичайно користуються виразом для коефіцієнта підсилення за струмом К_Іср , який є відношенням струму сигналу в колі бази транзистора слідуючого каскаду до струму сигналу в колі транзистора даного каскаду:

де

, тоді

Коефіцієнт підсилення за потужністю

2. Нижні частоти. Опір малої ємності С₀ зростає, а тому впливом Х_С0 можна знехтувати. 3 врахуванням цього еквівалентна схема для нижніх частот приймає вигляд

Мал. 9 а,б,в

Об'єднуючи опори r_КR і R , позначивши , а також R і r , позначивши результуючий опір R₀ , де

отримаємо схему, подану на мал. Для зручності аналізу схему із генератором струму (б) перетворюють в схему із генератором ЕРС, як показано на (в).

Користуючись цією схемою, отримаймо вираз для визначення коефіцієнта частотних спотворень в області нижніх частот:

або

де

Величину називають сталою часу резисторного каскада на нижніх частотах. Стала часу визначає час розряду конденсатора через резистор .

Із виразу для визначення можна побачити, що із збільшенням частотні спотворення зменшується. Це пояснюється так: опори , тим менше буде напруга на .

3. Верхні частоти. Опором конденсатора нехтують, а враховують. Виключивши із еквівалентної схеми / мал. / ємність , отримаємо еквівалентну схему для верхніх частот, що подана на мал. . Замінюючи паралельне сполучені опори , , і еквівалентним їм , отримаємо схему, подану на мал. ,. Користуючись теоремою про еквівалентний генератор, цю схему перетворимо в схему подану на мал. . Вихідна напруга тут – спад напруги на ємності :

(25)

(26)

Після підстановки отримаємо:

(27)

Відносне підсилення на верхніх частотах:

(28)

Але на середніх частотах: .

Тоді

(29)

Позначимо через , де - стал часу резисторного каскаду в області верхніх частот.

Виходячи з цього, коеф. частотних спотворень в області верхніх частот визначається за формулою:

(30)

Даний вираз говорить про те, що частотні спотворення в області верхніх частот залежать від ємності С₀ і опору R_в.ч.екв.

Із збільшенням ємності С₀ (або R_в.ч.екв) частотні спотворення збільшуються, тобто збільшується ″завал″ АЧХ. Це пояснюється тим, що із збільшенням частоти шунтуюча дія ємності С₀ зростає.