Частотные свойства транзисторных усилительных каскадов.

Усилительные свойства каскада зависят от частоты. Эту зависимость обычно рассматривают в трех областях; в области низких частот (НЧ), в области средних частот (СЧ) и в области высоких частот (ВЧ). Типичная амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) усилительного устройства показана на рис.2.1.
Область средних частот является основной рабочей областью. В ней пренебрегают частотной зависимостью коэффициента усиления, считают его равным К0. Протяженность и положение областей НЧ, СЧ, ВЧ характеризуют с помощью граничных частот fН и fВ , которые часто определяют по уровню 0,707 от номинального значения К0 и обозначают fН0,7 ; fВ0,7 соответственно.

Частотные свойства усилительного устройства также можно описать его нормированной амплитудно-частотной характеристикой (НАЧХ) М(f)=K(f)/K0, представляющей относительные изменения коэффициента усиления К(f) от частоты.

Область низких частот. В области НЧ уменьшение коэффициента усиления определяется тем, что в усилительном каскаде разделительные и шунтирующие (блокирующие) конденсаторы обладают заметным сопротивлением, в результате чего передаточные свойства каскада имеют заниженное по сравнению с К0 значение. В исследуемом каскаде (см. рис.схема стенда) в качестве разделительного конденсатора для схем ОЭ и ОК используется С2 (S1- 4, 2, 3) или последовательное соединение С1 и С2 (S1-1). Цепь с конденсатором СР , разделяющим на постоянном токе участки цепи с сопротивлениями R1 или R2, можно представить в виде эквивалентной схемы, содержащей генератор сигнального напряжения с выходным сопротивлением Rг (R1 или R2) и последовательно включенные конденсатор СР, и резистор Rвх сопротивление которого равно входному сопротивлению усилительного каскада (рис.2.2а).

Коэффициент передачи такой разделительной цепи

его НАЧХ определяется соотношением

 

 

где , tр=Ср(Rг +Rвх) –постоянная времени разделительной цепи.

Дополнительным источником ухудшения усилительных свойств в области НЧ при схеме с ОЭ являются конденсатор Сш каскада (в схеме стенда С4), включенный в эмиттерную цепь транзистора (см.рис.2.2,б). РезисторRэ служит для создания отрицательной обратной связи на постоянном токе, благодаря которой в каскаде обеспечивается хорошая стабильность и определенность положения исходной рабочей точки. Конденсатор Сшшунтирует на СЧ резистор Rэ, вследствие чего в этой частотной области отрицательная обратная связь не действует и каскад обладает требуемым высоким усилением К0. На низких же частотах шунтирующее действие конденсатора Сш становится недостаточно эффективным, в результате этого в каскаде возникает отрицательная обратная связь, снижающая коэффициент усиления. Относительное уменьшение Мэ усиления К0 из-за действия указанной обратной связи определяется формулой:

 

 

где –постоянная времени нагрузки в цепи эмиттера.

Общее снижение усиления МНå на НЧ из-за разделительной и эмиттерной цепей

МНå=Mр´ Mэ.

Коррекция хода частотной характеристики в области НЧ может быть достигнута за счет использования в нагрузке каскада цепи, имеющей повышенное по сравнению СЧ сопротивление, например, дополнительного резистора R15, зашунтированного конденсатором С9 (см.рис.стенд).

Область высоких частот. В ВЧ - области снижение усиления обусловлено, с одной стороны, ухудшением усилительных свойств самого транзистора (уменьшением модуля коэффициента передачи тока h21), а с другой – заметным шунтирующим влиянием паразитной емкости Сå (рис.2.3, а) на выходе каскада.

 

Относительное уменьшение усиления из-за частотной зависимости |h21| для схем ОЭ и ОБ определяется соотношением

(2.4)

 

 

где: wτ=1/τ, t - постоянная времени транзистора.

Шунтирующее действие Сå уменьшает усиление на ВЧ в соответствии со следующей формулой:

 

(2.5)

 

 

где tс=Сå´R¢н (Rн¢– полное активное сопротивление на выходе каскада, включающая выходное сопротивление транзистора 1/h22 c включёнными параллельно сопротивлениями цепи смещения и нагрузки) На схеме с ОЭ (рис 2.3) Rн¢=1/(1/h22э+1/Rк+1/Rн).

Общее относительное усиление на ВЧ

(2.6)

 

Коррекцию частотных искажений в области ВЧ, обусловленных уменьшением модуля коэффициента передачи тока |h21| можно осуществить в схемах ОЭ с помощью дополнительного резистора Rэ, включенного в эмиттерную цепь транзистора. Резистор Rэ создает отрицательную обратную связь, в результате чего постоянная времени эквивалентного включающего Rэ транзистора уменьшается в Fоэ раз, где Fоэ=1+(h21э/h11э)Rэ, tf=t/Fоэ. Следует отметить, что введение в схему каскада резистора Rэ сопровождается уменьшением коэффициента усиления К0 в Fоэ раз, К0f= К0/Fоэ.

Искажения из-за паразитной емкости Сå могут быть уменьшены за счет введения в нагрузку каскадов (см.рис.2.3, а) дополнительной индуктивности L,а также с помощью частотнозависимой отрицательной обратной связи, создаваемой дополнительной цепочкой RкорСкор (см.рис.2.3,б). В качестве корректирующей эмиттерной цепочки RкорСкор в макете (см.рис.стенда) используются элементы R6,C7. При эмиттерной коррекции в каскаде создается отрицательная обратная связь, которая из-за малого значения емкости конденсатора Скор (С7) создает заметное снижение усиления на СЧ. В области ВЧ конденсатор Скор начинает проявлять заметное шунтирующее влияние на резистор Rкор (R6), уменьшающее глубину обратной связи. Благодаря этому происходит улучшение передаточных свойств эквивалентного транзистора по сравнению со средними частотами. Таким образом, эквивалентный включающий цепочку RкорСкор транзистор имеет подъем НАЧХ в области ВЧ.

При рассмотрении АЧХ каскада за начало корректирующего действия цепочки RкорСкор можно принять частоту fкор, на которой выполняется условие

Rкор=1/2pfкорСкор. Наилучшие по равномерности частотные характеристики получаются в каскаде, если элементы Rкор,Скор удовлетворяют условию tкор=tс, где tкор= Rкор,Скор.

Дополнительным источником спада амплитудно-частотной характеристики каскада в области ВЧ может являться его входная емкость Свх, которая совместно с сопротивлением RГ источника сигнала (рис.2.4) образует

фильтр нижних частот с НАЧХ вида

 


где tвх=СвхRвхэкв – постоянная времени указанного фильтра;

Для схемы ОЭ Свх»Cбэ+Cк(K0+1); ОК- Свх»Ск+Сбэ(1-К0), где Сбэ– ёмкость перехода база - эмиттер; Ск – емкость коллекторного перехода (для различных марок транзисторов Ск лежит в пределах от десятых долей до единиц пикофарад).

С точки зрения уменьшения спада НАЧХ Мвх в области ВЧ, желательно использовать такие схемы включения, при которых Свх мало. Наименьшее значение Свх обеспечивает включение ОК. Снижению Свх может способствовать введение в каскад ОЭ сопротивление обратной связи Rэ , уменьшающего постоянную времени транзистора и коэффициент К0 в Fоэ=1+(h21э/h11э)Rэ раз. Малые частотные искажения во входной цепи имеют место также при работе от источников сигнала с малым значением сопротивления Rс , например, когда в качестве источника сигнала используется схема ОК.

Частотные искажения вызывают нарушение соотношения между спектральными составляющими сигнала, что обычно ведет к искажению формы усиливаемых сигналов. Эти искажения не связаны с нелинейностью вольт-амперных характеристик, не приводит к появлению новых составляющих в спектре; в связи с этим указанные искажения часто называют линейными.

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1


  • Далее ⇒