Эпюры токов и напряжений в усилительном каскаде
На рис. 5 приведены эпюры токов и напряжений для однокаскадного усилителя.
 |
Рис. 5. Эпюры напряжений и токов в усилительном каскаде
Пока на вход усилителя не подано входное переменное напряжение, на участке 
будет постоянное напряжение, за счет этого напряжения в цепи базы протекает ток 
; в цепи коллектора ток 
будет в 
раз больше, чем 
. На транзисторе постоянное напряжение 
меньше, чем 
,т.к. часть напряжения выделилась на и 
. Т.к. коллектор соединен с нагрузкой через разделительный конденсатор 
, то напряжение на нагрузке равно нулю.
Подадим на вход синусоидальный сигнал. Он пройдя через 
будет суммироваться с 
, при этом напряжение база-эмиттер должно быть одной полярности. Ток в цепи базы повторяет форму 
в соответствии с входной характеристикой. повторяет форму 
, но с большим в раз размахом. Ток коллектора протекает через транзистор и через 
, при этом, чем больше значение , тем меньше падение напряжения на транзисторе, т.е. характер поведения напряжения на участке коллектор-эмиттер будет противоположен характеру поведения тока коллектора. Если в цепи эмиттера отсутствует конденсатор 
, то 
будет повторять форму .
Ту форму напряжения, которая появилась на коллекторе транзистора, можно представить в виде двух составляющих: переменной и постоянной. Постоянная составляющая через не пройдет, а пройдет только переменная, которая выделится на нагрузке.
Кроме этого, можно сделать вывод, что входное и выходное напряжения находятся в противофазе, т.е. усилительный каскад поворачивает сигнал на 
или инвертирует.
Эквивалентная схема усилительного каскада
 |
Для упрощения анализа работы усилительного каскада используется его эквивалентная схема, которая приведена на рис 6.
Рис. 6. Полная эквивалентная схема усилительного каскада
Где: 
║ 
;
Для упрощения рассмотрим влияние элементов на работу усилителя отдельно для каждой области усиливаемых частот.
Область средних частот
Под областью СЧ понимают ту область, где влиянием реактивных элементов можно пренебречь, т.к. 
и включено последовательно с 
, а 
и включено с ним параллельно. Коэффициенты усиления для этой области определяются выражением:
 |
где RK~
║ ;
║ 
;
.
Из приведенного выражения видно, что коэффициент усиления увеличивается, если увеличивается RK~, т.е. или , если применить транзистор с большим коэффициентом усиления и при уменьшении выходного сопротивления источника входного сигнала 
. Но при увеличении , , 
, т.е. 
автоматически приводит к уменьшению верхней граничной частоты 
, т.е. полосы пропускания усилителя.
 |
На рис.7 представлена эквивалентная схема усилительного каскада для области средних частот (СЧ). Резистор
показан пунктиром, его необходимо учитывать, если 
в схеме отсутствует (при наличии 
, поэтому закорачивается).
Рис. 7. Эквивалентная схема для области средних частот
Область нижних частот
Завал АЧХ в области нижних частот (рис.2) обусловлен наличием разделительных конденсаторов , и конденсатора в цепи эмиттера . Сопротивление конденсатора зависит от частоты
с понижением частоты его сопротивление возрастает. Конденсатор включен последовательно между источником входного сигнала и входом усилителя и совместно со входным сопротивлением усилителя образует делитель напряжения. Поэтому с понижением частоты и ростом сопротивления конденсатора большая часть входного напряжения будет выделяться на этом конденсаторе, а на вход транзистора будет поступать меньше, следовательно, уменьшится сигнал на выходе и уменьшится коэффициент усиления на нижних частотах, а коэффициент частотных искажений 
возрастет. Аналогично влияет и конденсатор , который совместно с образует еще один выходной делитель напряжения, и напряжение выходное с понижением частоты уменьшится.
Для области нижних частот определяют коэффициент частотных искажений для входной и выходной цепи:
= 
;
где 
– постоянная времени для входной цепи
– постоянная времени для выходной цепи.
Суммарный коэффициент частотных искажений определяется в виде:
Из приведенного выражения видно, что с понижением частоты и уменьшением значений разделительных конденсаторов значение возрастает, следовательно, 
уменьшится, что и способствует завалу АЧХ на нижних частотах.
 |
Следовательно, для уменьшения линейных искажений следует до определенных пределов увеличивать
и . На рис. 8 показано как изменяется коэффициент усиления в области нижних частот ( ) при различных значениях 
.
Рис. 8. Влияние Ср на АЧХ усилителя
Где < < 
.
Область верхних частот
На «завал» АЧХ в области верхних частот (рис. 2) основное влияние оказывают следующие причины:
а) зависимость коэффициента усиления транзистора ( ) от частоты, связанное с инерционностью носителей, причем, с ростом частоты значение уменьшается;
б) наличие барьерной емкости 
, в которую ответвляется часть коллекторного тока, при этом ток в нагрузке, а, следовательно, и выходное напряжение уменьшается;
в) наличие емкости монтажа 
и емкости нагрузки 
, которые оказываются подключенными параллельно RK~ и с ростом частоты уменьшают эквивалентное сопротивление нагрузки по переменному току. За счет этого на нагрузке будет уменьшаться выходное напряжение и соответственно коэффициент усиления на высокой частоте.
Частотные искажения для области верхних частот определяются следующим выражением:
где 
– постоянная времени транзистора, 
;
верхняя граничная частота усиления транзистора;
– постоянная времени нагрузки транзистора по переменной составляющей в области верхних частот, =С0 RK~.
Соответственно верхняя граничная частота усиления при заданных частотных искажениях определяется в виде
.
Из приведенного выражения видно, что верхняя граничная частота будет увеличиваться, если использован более высокочастотный транзистор с меньшим значением , также при увеличении RK и C0. Таким образом, если уменьшать С0 ( 
), то коэффициент частотных искажений на верхних частотах уменьшится, следовательно, уменьшаться линейные искажения на ВЧ; коэффициент усиления на верхних частотах КВ увеличится, при этом, увеличивается, и наоборот, при увеличении С0 коэффициент частотных искажений увеличивается, КВ уменьшается, уменьшается. На рис. 9 показано изменение Кус, при изменении С0.
 |
Рис. 9. Влияние С0 на АЧХ усилителя
Где С01>С02 >С03.
Площадь усиления
Для характеристики свойств усилителя, кроме диапазона усиливаемых частот, вводится понятие площади усиления.
П=КСР· =const
В приведенном выражении для увеличения Кср мы должны увеличивать значение RK~, что следует из анализа в области средних частот. Но одновременно увеличение RK~ автоматически приводит к уменьшению , т.е. значение площади усиления, определяемой как произведение КСР и , будет оставаться примерно постоянным для данного типа усилителя. Это очень важный вывод, который говорит о том, что одновременно обеспечить большое значение КСР и широкую полосу усиливаемых частот невозможно. Поэтому реальные усилители, как правило, выполняют многокаскадными, причем каждый каскад выполняют широкополосным ( – велико), но с малым коэффициентом усиления, а общий коэффициент усиления определяют как произведение коэффициентов усиления отдельных каскадов. При исследовании качественных показателей характеристик усилительного каскада используется схема, приведенная на рис.10.