Усилители. Классификация и основные характеристики усилителей, страница 3

Схема токового зеркала с сопротивлением в эмиттерных цепях транзисторов (рис. 3.6,г) описывается уравнением

                                                      (3.14)

и дает возможность получать коэффициент отражения тока

   ,

отличный от единицы. Тем не менее наилучшая стабильность тока и в этом случае имеет место при коэффициенте отражения 1, т. е. когда R₃ = R₄.

3.5. Усилительный каскад с емкостными связями (RC-каскад)

Усилительным каскадом называют электронный усилитель, содержащий один активный элемент. В общем случае электронный усилитель может быть однокаскадным или многокаскадным.

Наибольшее распространение получили резистивно-емкостные каскады (RC–каскады, усилители с емкостной связью). Принципиальные схемы RC–каскадов на различных активных элементах приведены на рис. 3.7. Все схемы содержат разделительные конденсаторы С₁С₁', которые служат для разделения напряжений смещений и сигнала. При каскадном соединении остается только один из этих конденсаторов, а второй – элемент соседнего каскада. Назначение конденсатора в цепи общего электрода (С_к, C_э, С_и) – обеспечение постоянного напряжения на этом электроде (соответственно на катоде, эмиттере или истоке). Влияние перечисленных емкостей на работу RC–каскада начинает сказываться в области низких частот.

Анализ работы каскадов (см. рис. 3.7) сделаем при следующих упрощающих предположениях:

1) емкости блокировочных конденсаторов С_к, C_э, С_и столь велики_, что на соединенных с ними электродах напряжение сигнала равно нулю;

2) источник питания имеет очень малое внутреннее сопротивление, поэтому напряжение сигнала на шине питания также равно нулю;

3) амплитуда входного сигнала U_вх мала и рабочий участок передаточной вольт–амперной характеристики активного элемента можно считать линейным.

Напряжение U₂ в отсутствие сигнала на входе (напряжение покоя) равно

   ,                                                                   (3.15)

а при наличии сигнала

  ,                                                   (3.16)

где    I_п   – начальный ток покоя, обусловленный режимом активного элемента;

Su_вх – ток, вызванный входным сигналом;

R_экв – эквивалентное сопротивление выходной цепи для тока сигнала ().

Постоянные напряжения не передаются к нагрузке R_н благодаря разделительному конденсатору С₁.

Выходное напряжение u_вых – это падение напряжения на сопротивлении нагрузки R_н, обусловленное изменением тока активного элемента под действием входного напряжения u_вх .

    .                                                  (3.17)

 

Знак минус здесь означает, что при усилении меняется полярность напряжения. Такие усилители называют инвертирующими. Коэффициент К, связывающий выходное напряжение со входным, называют коэффициентом усиления напряжения.

Описанный здесь механизм работы  RC–каскада иллюстрируется графиками на рис. 3.8.

Принципиальные схемы каскадов на рис. 3.7 можно свести к одной обобщенной для переменного тока схеме, заменив активный элемент эквивалентным генератором тока (рис. 3.9).

Для анализа характеристик обобщенной принципиальной схемы на рис. 3.9 рассмотрим эквивалентные схемы на рис. 3.10. При преобразовании схемы на рис. 3.9 в схему на рис. 3.10,а предполагается, что питание каскада осуществляется от идеального источника напряжения U_ип(). Это означает, что для усиливаемого сигнала шина питания эквивалентна земляной шине. Поэтому все выводы элементов, соединенные с шиной питания и земляной шиной на принципиальной схеме (рис. 3.9), присоединяются к общей шине на эквивалентной схеме (рис. 3.10,а). Объединив параллельно соединенные сопротивления

и емкости (С_в0 + С_м2 + С_н = С₂) от схемы на рис. 3.10,а перейдем к равнозначной упрощенной схеме на рис. 3.10,б. Простое включение в сумму С₂ емкости С_н основано на том, что С_н << С₁.

Из эквивалентной схемы на рис. 3.10,б видно, что RC–каскад можно рассматривать как активный полосовой фильтр. Емкость С₂ , отвечающая за верхнюю граничную частоту (). Поэтому этот фильтр широкополосный, в полосе прозрачности согласно (3.17) он имеет коэффициент усиления  К = SR_экв. Граничные частоты полосы пропускания легко оценить по эквивалентным схемам на рис. 3.10, г, д. Графики частотных характеристик RC–каскада обычно строят в логарифмическом масштабе (рис. 3.11). Граничные частоты определяют при условии, что на граничной частоте коэффициент усиления снижается на 3 дБ относительно максимального значения.

Эквивалентные схемы на рис. 3.10, в, г, д составлены для выходной цепи RC–каскада.

Входная цепь рассматриваемого RC–каскада также содержит дифференцирующую и интегрирующую RC–цепи. Дифференцирующая цепь образована сопротивлением R_д = R_г + R_вх и емкостью С₁' (рис. 3.9 и рис. 3.10,б). Она обладает свойствами, аналогичными свойствам рассмотренной выше дифференцирующей цепи на выходе каскада.

Сложнее обстоит дело с входной интегрирующей RC–цепью, образованной параллельно соединенными сопротивлениями  и входной емкостью С_вх.

          Входная емкость состоит из монтажной емкости С_м1, входной емкости С_у0 и проходной емкости С_п = С_ув активного элемента (рис. 3.9). Емкости С_м1 и С_у0 подключены параллельно выходу источника входного сигнала и заряжаются его током до напряжения u_вх. Физическая проходная емкость С_п одной обкладной присоединена к выходу источника сигнала (входу усилителя), а второй – к выходному электроду активного элемента, напряжение на котором в инвертирующем усилителе с коэффициентом усиления К равно u_вых = -Кu_вх. Поэтому емкость С_п заряжается током генератора входного сигнала до напряжения u_вх - u_вых = u_вх + Кu_вх = (К +1)u_вх. Ее заряд равен

 .          (3.18)

Здесь множитель (К + 1) относится к напряжению u_вх. Однако описание свойств входной цепи усилителя останется верным, если множитель (К + 1) отнести к проходной емкости и ввести понятие эффективной емкости С_м = (К + 1)С_п. Согласно (3.18) напряжение на С_м равно u_вх, следовательно эффективную емкость на эквивалентной схеме усилителя следует соединить параллельно с емкостями С_м1 и С_у0, т. е.
С_вх = С_м1 + С_у0 + С_м.Такое преобразование в инвертирующем усилителе физической проходной емкости в эквивалентную ей параллельную входу эффективную емкость называют эффектом Миллера, а эффективную емкость – миллеровской емкостью С_м. Наличие эффекта Миллера ограничивает быстродействие инвертирующих усилительных каскадов.