ДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Назначение конденсаторов в усилителях.Если усилительный каскад на ПТ, схема которого показана на рис. 5.5, б, используется для усиления переменного напряжения, то в него включают еще и конденсаторы С_р1, С_р2 и (рис. 5.10, а). Конденсаторы C_p₁ и С_р2 называются раз-Делительными. Они используются для развязки усилителя по постоянному току от источника входного сигнала (С_Р1) и от нагрузки R_H усилителя (С_р2). Емкости этих конденсаторов должны быть такими, чтобы на них выделялась небольшая часть входного и выходного переменного напряжения. Это требование осуществляется при выполнении условий:

где — частота самой низкой гармоники в спектре усиливаемого сигнала; — сопротивление внешней нагрузки усилителя.

Емкость конденсатора выбирается из условия

При этом сопротивление конденсатора для переменного напряжения оказывается в 20—30 раз меньше сопротивления резистора R_и и можно считать, что исток ПТ по переменному току соединен с общей шиной усилителя. В результате напряжение ООС, которое создавалось на резисторе приотсутствии конденсатора , оказывается близким к нулю и все входное напряжение прикладывается между затвором и истоком ПТ.

Элементы и называют цепью автоматического смешения.

Выходная динамическая характеристика.При гармоническом характере усиливаемого переменного напряжения рабочая точка А, характеризующая режим покоя усилителя, выбирается примерно в середине выходной нагрузочной прямой, построенной на семействе статических выходных характеристик ПТ для сопротивления нагрузки по постоянному току, равного R_н=R_c+R_и(рис. 5.10, б). При этом, как было показано в § 5.1 (см. рис. 5.1, б), ток стока и напряжение становятся пульсирующими, т. е. у них появляются переменные составляющие. Для переменной составляющей тока стокасопротивления конденсаторов С_и и С_Р2 близки к нулю, вследствие чего сопротивление нагрузки усилителя по переменному току r_н равно сопротивлению элементов R_c и , включенных параллельно (внутреннее сопротив ление источника питания Е_с переменному току можно считать равным нулю):

Если обозначить переменную составляющую тока стока через , то вследствие противофазности переменных составляющих тока I_с и напряжения (см. графики 3 и 4 на рис. 5.1, б) уменьшению мгновенного значения тока стока на соответствует увеличение мгновенного значения напряжения

на , т. е. справедливы уравнения:

Подставляя во второе уравнение значение , получим

Уравнение (5.5) связывает мгновенные значения выходного тока I_с и выходного напряжения при переменном сигнале на входе усилителя и определяет выходную нагрузочную характеристику по переменному току, или выходную динамическую характеристику. Для ее построения необходимо определить две точки.

1-я точка: полагая I_с = , получим . Следовательно, выходная динамическая характеристика проходит через точку ( , ), определяющую режим покоя;

2-я точка: полагая , получим . Следовательно, выходная динамическая характеристика проходит через точку, лежащую на оси напряжений при . Так как , то __ (см. рис. 5.10. б).^

Схемы усилительных каскадов на БТ, используемых для усиления переменных напряжений, отличаются от приведенных на рис. 5.8 и 5.9 наличием разделительных конденсаторов на входе С_р1 и на выходе С_р2 и конденсатора С„ шунтирующего резистор R3 (рис. 5.9, а) с целью устранения последовательной ООС по переменному току. Уравнение выходной динамической характеристики для этих усилителей подобно уравнению (5.5) и имеет вид

ДИНАМИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ

Свойства усилительного каскада при поступлении на его вход переменного напряжения или тока характеризуются динамическими параметрами, или параметрами режима усиления: динамической крутизной передаточной характеристики, коэффициентами усиления напряжения, тока и мощности, входной динамической емкостью, выходной полезной мощностью, которая выделяется в нагрузке усилителя переменной составляющей выходного тока, и некоторыми другими.

Динамическая крутизна.Динамической крутизной передаточной характеристики, или просто крутизной усилителя, называют отношение

где и — комплексные амплитуды переменных составляющих выходного тока и входного напряжения. Динамическую крутизну S_Д можно выразить через малосигнальные (дифференциальные) параметры статического режима. Например, используя выражение для выходного тока усилителя, записанное применительно к системе Y-параметров,

и учитывая, что в инвертирующем усилителе , на основании уравнения (5.6) получим

Коэффициенты усиления.Коэффициент усиления напряжения определяется как отношение

или с учетом выражения (5.7)

Работа усилителя на БТ сопровождается протеканием тока входного электрода — тока базы. Поэтому, помимо коэффициента усиления напряжения , свойства такого усилителя характеризуются коэффициентом усиления тока: .

Так как , , то с учетом выражения (5.9) коэффициент усиления тока можно представить выражением

Коэффициент усиления мощности определяется выражением

Параметры , , и можно определить графическим методом. При этом используются формулы, выражающие динамические параметры через амплитудные значения токов и напряжений:

Порядок определения динамических параметров усилителя на БТ, включенном по схеме ОЭ, следующий.

1. На семействе статических выходных характеристик БТ строится выходная нагрузочная характеристика, затем выбирается рабочая точка А и проводятся выходные нагрузочная и динамическая характеристики (рис.5.11, а).

2. Для заданной амплитуды входного напряжения по входным характеристикам определяется амплитуда тока базы (рис. 5.11, б).

3. По выходной динамической характеристике для найденной амплитуды тока базы БТ находят амплитуды коллекторного тока и коллекторного напряжения .

4. Рассчитываются динамические параметры S_Д, K_u, и полезная мощность R_R, выделяемая в нагрузке по переменному току:

Для усилителей на ПТ параметры и К_Р не определяются.

Входная динамическая емкость.Входная динамичеекая емкость усилителя обусловлена наличием междуэлектродных емкостей активных элементов.

В усилителе на ПТ (рис. 5.12) можно считать, что . Составляющие и обусловлены входной проходной междуэлектродными емкостями ПТ. Следо-

вательно, входное сопротивление усилителя имеет емкостный характер и обусловлено некоторой результирующей входной емкостью которую назовем входно динамической емкостью С_вх.д. С учетом этого можно за писать:

К емкости С_вх приложено переменное напряжение u_вх, поэтому . Так как рассматриваемый усилитель является инвертирующим, напряжение, приложенное к емкости С_прох, равно сумме напряжений u_вх и u_вых, в результате чего имеем . Подставляя значения i'_BX и в выражение (5.10) и учитывая, чтополучаем:

Сравнивая выражения (5.10) и (5.11), можно сделать вывод о том, что входная динамическая емкость связана со статическими междуэлектродными емкостями уравнением

Выражение (5.12) показывает, что входная динамическая емкость усилителей на ПТ значительно больше входной статической емкости ПТ, приводимой в справочниках. Входная динамическая емкость уменьшает входное сопротивление усилителя.

Выражение (5.12) справедливо и для усилителя на БТ, однако его входное сопротивление, кроме емкостной составляющей, содержит и активную составляющую, обусловленную протеканием тока базы.

ЭКВИВАЛЕНТНЫЕ СХЕМЫ

Эквивалентные схемы транзисторов.При работе полевого транзистора в усилительном режиме его можно рассматривать как линейный элемент и в расчетах заменять эквивалентной схемой, содержащей входную и выходную цепи.

При включении ПТ с общим истоком ввиду малого тока затвора можно считать, что активная составляющая входного сопротивления очень велика. В этом случае входную цепь ПТ можно отобразить емкостью при или емкостью при .

Согласно выражению для динамической крутизны и с учетом выражения (5.7) имеем

Параметр Y₂₁, определяемый для ПТ из выражения

есть не что иное, как крутизна передаточной характеристики S (крутизна ПТ), а , где — выходное дифференциальное сопротивление ПТ. С учетом этого выражение (5.13) можно представить в виде

Умножая обе части этого равенства на и учитывая, что , получаем выражение, связывающее мгновенные значения тока стока и напряжения затвора ПТ:

Данному выражению соответствует эквивалентная схема, приведенная на рис. 5.13, а.

Напряжение, создаваемое в нагрузке усилителя, определяется из выражения или с учетом (5.14) из выражения

которому соответствует эквивалентная схема, показанная па рис. 5.13, б.

Для усилителя на биполярном транзисторе, включенном по схеме ОЭ, параметр

является крутизной передаточной характеристики БТ (крутизной БТ), которая в справочниках обычно не приводится. Однако параметры S и ц легко рассчитать но известным h-параметрам с помощью формул:

Таким образом, выходную цепь полевого и биполярного транзистора на низких частотах можно представить в виде эквивалентной схемы с генератором напряжения или тока с внутренним (дифференциальным) сопротивлением . Чтобы эти схемы были справедливы и для высоких частот, необходимо учесть частотную зависимость входящих в них элементов S, и .

Представление полевых и биполярных транзисторов идентичными эквивалентными схемами позволяет осуществить единый подход к анализу усилителей на транзисторах.

Инвертирующие свойства усилителя отображаются знаком «минус» перед обозначением напряжения ЭДС эквивалентного генератора напряжения или перед обозначением тока эквивалетного генератора тока.

Эквивалентные схемы усилительных каскадов.Принципиальные схемы усилителей напряжения (УН) с ре-остатно-емкостными связями на полевых и биполярных транзисторах показаны соответственно на рис. 5.14, а и б.

В усилительный каскад на транзисторе VT1 входит часть схемы, заключенная между затвором (или базой) транзистора VT1 без учета цепей смещения и источника сигнала и затвором (или базой) транзистора VT2, включая цепи смещения транзистора VT2 и его входное сопротивление, которое образует нагрузку усилительного каскада на VT1.

Переход от принципиальной схемы усилительного каскада к его эквивалентной схеме по переменному току осуществляется следующим образом. Активный элемент заменяется генератором тока — (или генератором напряжения — ) с внутренним сопротивлением или . К выходным зажимам полученного таким образом генератора в соответствии с принципиальной схемой подключаются все элементы каскада, оказывающие сопротивление переменному току, атакже междуэлектродные емкости и емкости монтажа. Источник питания в эквивалентной схеме отсутствует, так как его сопротивление переменному току близко к нулю. Поскольку сопротивления конденсаторов и С_Э для переменного тока малы, то цепи и в эквивалентных схемах по переменному току также будут отсутствовать. Не войдут в них и входные цепи, так как они находятся за пределами границ усилительных каскадов (рис. 5.15).

Сравнивая полученные эквивалентные схемы, легко заметить полное сходство их левых частей до конденсатора С_Р2 включительно. Элементы, представленные справа от конденсатора С_р2, отображают внешнюю нагрузку каскада, которая включает в себя активную и емкостную составляющие. С учетом этого замечания усилители на ПТ и БТ можно представить обобщенной эквивалентной схемой по переменному току (рис. 5.16). Входящие в эту схему

элементы определяются типом усилителя. Так, например, для усилителя на ПТ: ; ; , где С_М — емкость монтажа; ; ;

а для усилителя на БТ: ; ; ; , где R_Э_KB — эквивалентное сопротивление, образованное делителем R1, R2 и входным сопротивлением транзистора VT2, С2 = С_вх._д._сл — входная динамическая емкость следующего каскада.

⇐ Назад

Далее ⇒