Схемотехника аналоговых электронных устройств - [5]

необходим для шунтирования R_э с целью соединения эмиттера транзистора с общим проводом на частотах сигнала (устранения обратной связи на частотах сигнала, вид и характер этой связи будет рассмотрен в соответствующем разделе).

Приведем эквивалентную схему каскада для частот сигнала (рис. 2.12).

Рисунок 2.12. Схема каскада с ОЭ для частот сигнала

С целью упрощения анализа каскада выделяют на АЧХ области НЧ, СЧ и ВЧ (см. рис. 2.2), и проводят анализ отдельно для каждой частотной области.

Эквивалентная схема каскада в области СЧ приведена на рисунке 2.13.

Рисунок 2.13. Схема каскада с ОЭ в области СЧ

Как видно, эта схема не содержит реактивных элементов, т.к. в области СЧ влиянием на АЧХ разделительных (C_p1, C_p2) и блокировочных (C_э) емкостей уже можно пренебречь, а влияние инерционности БТ и C_н еще незначительно.

Проведя анализ схемы, найдем, что

K₀ = S₀R_экв,

где R_экв ≈ R_к ∥ R_н;

g_вх ≈ g + G₁₂,

где G₁₂ = 1/R₁₂ = 1/(R_б1 ∥ R_б2);

g_вых ≈ g = 1/R_к.

Эти соотношения получены в предположении, что низкочастотное значение внутренней проводимости транзистора g_22э много меньше g_к и g_н. Это условие (если не будет оговорено особо) будет действовать и при дальнейшем анализе усилительных каскадов на БТ. Такое допущение справедливо потому, что БТ является токовым прибором и особенно эффективен при работе на низкоомную нагрузку.

Эквивалентная схема каскада в области ВЧприведена на рисунке 2.14.

Рисунок 2.14. Схема каскада с ОЭ в области ВЧ

Поведение АЧХ в этой области определяется влиянием инерционности транзистора и емкости C_н.

Проведя анализ согласно методике раздела 2.4, получим выражение для коэффициента передачи каскада в области ВЧ:

где τ_в— постоянная времени каскада в области ВЧ.

Постоянную времени каскада для удобства анализа представим так:

τ_в= τ + τ₁ + τ₂,

где τ — постоянная времени транзистора (

),

τ₁ — постоянная времени выходной цепи транзистора,

τ₁ = S₀C_кr_бR_экв;

τ₂ — постоянная времени нагрузки,

τ₂ = C_нR_экв.

Входную проводимость представим в виде:

где C_вх.дин — входная динамическая емкость каскада,

C_вх.дин ≈ C_эд + (1 + K₀)C_к = τ/r_б + (1 + K₀)C_к.

Выходная проводимость определится как

где C_вых — выходная емкость каскада, C_вых=C_кS₀r_б.

Выражения для относительного коэффициента передачи Y_в и коэффициента частотных искажений M_в в комментариях не нуждаются:

φ_в = –arctg ωτ_в,

M_в = 1/Y_в

По приведенным выражениям строится АЧХ и ФЧХ каскада в области ВЧ.

Связь коэффициента частотных искажений M_в и f_в выражается как

В n-каскадном усилителе с одинаковыми каскадами наблюдается эффект сужения полосы рабочих частот, который можно скомпенсировать увеличением верхней граничной частоты каскадов f_вi до

Эквивалентная схема каскада в области НЧприведена на рисунке 2.15.

Рисунок 2.15. Схема каскада с ОЭ в области НЧ

Поведение АЧХ в этой области определяется влиянием разделительных (C_р1, C_р2) и блокировочных (C_э) емкостей.

Влияние этих емкостей на коэффициент частотных искажений в области НЧ Mн каскада можно определить отдельно, используя принцип суперпозиции. Общий коэффициент частотных искажений в области НЧ определится как

где N — число цепей формирующих АЧХ в области НЧ.

Рассмотрим влияние C_р2 на АЧХ каскада. Проведя анализ согласно методике раздела 2.4, получим выражение для коэффициента передачи в области НЧ:

K_н = K₀/(1 + 1/jωτ_н),

где τ_н — постоянная времени разделительной цепи в области НЧ.

Постоянная времени разделительных цепей в общем случае может быть определена по формуле

τ_н = C_р(R_Л + R_П),

где R_Л — эквивалентное сопротивление, стоящее слева от C_р (обычно это выходное сопротивление предыдущего каскада или внутреннее сопротивление источника сигнала), R_П — эквивалентное сопротивление, стоящее справа от C_р (обычно это входное сопротивление следующего каскада или сопротивление нагрузки).

Для рассматриваемой цепи постоянная времени равна:

τ_н2 = C_р2(R_к + R_н).

Выражения для относительного коэффициента передачи и коэффициента частотных искажений в области НЧ таковы:

φ_н = –arctg ωτ_н,

M_н = 1/Y_вн

и в комментариях не нуждаются. По этим выражениям оценивается влияние конкретной цепи на АЧХ и ФЧХ каскада в области НЧ.

Связь между коэффициентом частотных искажений и нижней граничной частотой выражается формулой

Аналогичным образом учитывается влияние других разделительных и блокировочных цепей, только для блокировочной эмиттерной цепи постоянная времени приблизительно оценивается величиной τ_нэ≈C_э/S₀ т.к. сопротивление БТ со стороны эмиттера приблизительно равно 1/S₀ (см. подраздел 2.4.1), а влиянием R_э в большинстве случаев можно пренебречь, т.к. обычно 1/S₀<<R_э.

Результирующую АЧХ и ФЧХ каскада в области НЧ можно построить, используя уже упоминавшийся принцип суперпозиции.

В n-каскадном усилителе с одинаковыми каскадами наблюдается эффект сужения полосы рабочих частот, который в области НЧ можно скомпенсировать уменьшением нижней граничной частоты каскадов до

.

2.6. Термостабилизация режима каскада на биполярном транзисторе

Параметры БТ в значительной мере подвержены влиянию внешних факторов (температуры, радиации и др.). В то же время, одним из основных параметров усилительного каскада является его стабильность. Прежде всего, важно, чтобы в усилителе обеспечивался стабильный режим покоя.