Лекция 2 Усилители на транзисторах. 2. усилители и формирователи электрических сигналов на биполярных и полевых транзисторах. Усилители электрических сигналов
![]()
|
1.2.3.Усилитель с ОЭ в области низких частотВ области низких частот необходимо учитывать влияние на АЧХ разделительных и блокировочных конденсаторов. Рассмотрим вначале влияние разделительного конденсатора С1, для чего воспользуемся эквивалентной схемой входной цепи транзистора, представленной на рис. 2.16. При этом будем считать, конденсаторы С2 и Сэ выбраны достаточно большой емкости и не влияют на АЧХ усилителя. ![]() Рис. 2.16. Эквивалентная схема входной цепи усилителя ОЭ в области низких частот Входной ток усилителя при синусоидальном входном сигнале, как это следует из эквивалентной схемы для входной цепи рис. 2.16, ![]() Здесь Rвх=R||rвх; R =R1||R2. При уменьшении частоты входного синусоидального сигнала увеличивается реактивное сопротивление конденсатора С1 и уменьшается входной ток, а вместе с ним уменьшается и базовый ток, так как ![]() В результате уменьшается усиление усилителя. Оценим теперь искажения в области нижних частот количественно. Пусть Uг(t)=Um sin t. Тогда ![]() где ![]() Таким образом, на низких частотах усиление напряжения и тока уменьшается пропорционально величине ![]() Относительное уменьшение усиления по току или напряжению можно определить, исследуя функцию h(j). Модуль и аргумент h(j) определяются следующими выражениями ![]() ![]() где н1=С1(Rг + Rвх) — постоянная времени цепи заряда и разряда входного конденсатора С1. Заметим, что ![]() Здесь Кмакс — коэффициент усиления на средних частотах. На рис. 2.17 показана зависимость |K| от частоты в области низких частот. При нулевой частоте входной сигнал не проходит через разделительный конденсатор, поэтому выходное напряжение транзистора, а следовательно и его |K |=0. Поэтому АЧХ начинается с начала координат. По мере роста частоты входного сигнала реактивное сопротивление конденсатора С1 уменьшается, что приводит к возрастанию его коэффициента усиления. ![]() Рис. 2.17. Влияние разделительного конденсатора на АЧХ усилителя Обычно в области низких частот выделяют граничную частоту н на которой коэффициент усиления уменьшается в некоторое число раз. Выражение ![]() представляет собой коэффициент частотных искажений. При заданном значении Мн определим величину емкости разделительного конденсатора, если известна нижняя граничная частота н ![]() Следует отметить, что влияние конденсатора С2 аналогично влиянию входного конденсатора С1 с той лишь разницей, что оно приводит к непосредственному уменьшению тока нагрузки, а следовательно, и выходного напряжения. Действительно, представив выходную цепь в виде источника напряжения с внутренним сопротивлением Rвых=rК*||Rк можно определить влияние конденсатора С2 при помощи эквивалентной схемы рис. 2.18. Из приведенного рисунка видно, что все предыдущие выводы распространяются и на данный случай. Разница состоит в том, что искажения на низких частотах вызваны емкостью конденсатора С2, постоянная времени цепи заряда и разряда которого н2 = С2(Rвых + Rн). Используя 2 последних выражения можно рассчитать емкость конденсатора С2. ![]() Рис. 2.18. Эквивалентная схема выходной цепи усилителя ОЭ В области низких частот Рассмотрим теперь влияние блокировочного конденсатора Cэ. При этом будем считать, что конденсаторы C1 и C2 не оказывают влияние на АЧХ. В области средних частот, когда Сэ по переменному току можно считать короткозамкнутым, ток базы транзистора будет максимальным Iбm=Uб/Rвх где Uб — изменение потенциала базы относительно нулевой шины. С уменьшением частоты входного сигнала ![]() Здесь Uэ — падение напряжения на Rэ и Cэ. В области низких частот увеличивается реактивное сопротивление конденсатора Сэ и, следовательно, увеличивается падение напряжения на нем. При этом ток базы уменьшается пропорционально величине ![]() С уменьшением Iб уменьшается ток и напряжение в нагрузке, т.е. уменьшается усиление каскада. В пределе, когда ток через конденсатор Сэ будет равен нулю, сопротивление в эмиттерной цепи будет равно Rэ+rэ вместо значения rэ на средних частотах. Очевидно, что ток базы и выходное напряжение значительно уменьшатся с уменьшением частоты входного сигнала, но их конечные значения все же будут отличны от нуля. В этом заключается принципиальная особенность влияния конденсатора Сэ на АЧХ усилителя в области низких частот по сравнению с влиянием разделительных С1 и С2. Постоянную времени переходного процесса можно определить как произведение Сэ на суммарное шунтирующее сопротивление, представляющее собой параллельное соединение резистора Rэ и внутреннего выходного сопротивления усилительного каскада со стороны эмиттера. Определим постоянную времени э, для чего рассмотрим выражение для коэффициента усиления по напряжению в области средних частот: ![]() где rвх э=rб+rэ(1+), ![]() Выражение для коэффициента усиления в области низких частот можно легко найти, воспользовавшись вышеприведенным выражением, если вместо rэподставить rэ+Z, где ![]() После подстановки получим ![]() Введем обозначение ![]() Тогда ![]() Умножим числитель и знаменатель поученного выражения на ![]() ![]() где ![]() ![]() Модуль этого выражения ![]() Зависимость |KU| от частоты показана на рис. 2.19 сплошной линией 1. При уменьшении частоты входного сигнала до нуля ![]() ![]() не спадает до нуля. (При этом считается, что конденсаторы С1 и С2 в схеме усилителя отсутствуют). В этом принципиальное отличие влияния конденсатора Сэ на АЧХ по сравнению с конденсаторами С1и С2. Заметим, что рабочая область частот лежит обычно правее частоты ![]() ![]() ![]() Если это неравенство выполняется, то ![]() Так как правая часть этого неравенства всегда меньше единицы, то выражение для коэффициента усиления существенно упрощается и имеет вид: ![]() На рис. 2.19 пунктирная линия соответствует этому выражению. Из рис. 2.19 видно, что кривые 1 и 2 расходятся вблизи начала координат, а в области частот правее ![]() ![]() Рис. 2.19. Влияние конденсатора Сэ на АЧХ усилителя (пунктирная кривая соответствует приближенной формуле) Рассмотрим постоянную времени ![]() Если ![]() ![]() Тогда ![]() ![]() ![]() При небольших значениях Rг выполняется неравенство ![]() и тогда э=Cэrэ. В рабочем диапазоне частот можно также считать, что φСэ=arctg(1/э). Отмеченные выше приближения позволяют произвести расчет конденсатора в цепи эмиттера транзистора в рабочем диапазоне частот с использованием простого выражения. |