Объект исследования и основные теоретические положения

Усилительный каскад с емкостными связями на биполярном транзисторе в схеме с общим эмиттером (ОЭ) широко применяется для усиления сигналов переменного тока как в исполнении на дискретных компонентах, так и в составе интегральных микросхем. На рис. 1 приведена схема каскада с ОЭ.

Рис. 1. Схема усилительного каскада с емкостной связью на биполярном транзисторе с общим эмиттером

 

Резистор R_бв цепи базы обеспечивает ток базы покоя I_б.о, который задает требуемую точку покоя (I_к.о; U_кэ.о) в статическом режиме.

Конденсатор С₁ изолирует вход каскада по постоянному току и соединяет его с источником сигнала по переменному току. Конденсатор С₂ выполняет такую же функцию по отношению к выходу каскада и нагрузке. Оба конденсатора должны иметь достаточно малое сопротивление на частоте сигнала.

В статическом состоянии (в покое) рабочая точка характеризуется током коллектора покоя I_к.о и напряжением коллектор-эмиттер U_кэ.о. Эти значения связаны уравнением статической линии нагрузки :

U_кэ.о = E_к – I_к.о·R_к. (1)

Для переменного тока (т.е. сигнала) реактивное сопротивление конденсатора С₂ мало и поэтому сопротивления нагрузки и коллектора включены параллельно: R_к.н= R_к||R_н. Колебания тока коллектора и напряжения на коллекторе связаны динамической линией нагрузки, которая проходит через точку покоя О под большим углом к оси U_кэ, чем статическая:

U_кэ = E_к.экв – I_к ·R_к.н, (2)

где E_к.экв – напряжение эквивалентного источника:

. (3)

Статическая и динамическая линии нагрузки показаны на рис. 2.

 

Рис. 2. Графики статической и динамической линий нагрузки

Для малых приращений тока коллектора и напряжения коллектор–эмиттер уравнение динамической линии нагрузки имеет вид

DU_кэ = – DI_к R_к.н .

При усилении гармонических колебаний амплитуды переменных составляющих напряжения на коллекторе и тока коллектора связаны соотношением

U_кэ.m = I_к.m R_к.н .

Положение точки покоя (I_к.о; U_кэ.о) на статической линии нагрузки удобно определять графо-аналитическим методом, располагая графиками выходных характеристик. Для того, чтобы обеспечить симметричные условия для положительной и отрицательной полуволн колебаний выходного напряжения, точку покоя (I_к.о; U_кэ.о) следует выбирать в середине активного участка динамической линии нагрузки.

Подставив в (3) U_кэ.о = 0, 5·E_к.экв, получаем

. (4)

Из этого условия можно вычислить ток коллектора в статическом режиме I_к.о:

. (5)

 

и ток базыI_б.о:

, (6)

после чего рассчитать сопротивления R_б:

.

Резистор R_э (его также обозначают R_ос) как правило имеет небольшое сопротивление и не влияет на статический режим. Но он оказывает заметное влияние на переменном токе, так как является элементом отрицательной обратной связи.

Коэффициент усиления по напряжению усилительного каскада в области средних частот равен

где R_вх.тр – входное сопротивление транзистора.

Знак “минус” в формуле (7) означает инверсию входного сигнала на выходе усилителя. Без резистора R_ос в цепи эмиттера R_вх.тр = h_11э, и усиление максимально. Резистор R_ос увеличивает входное сопротивление транзистора R_вх.тр:

R_{вх.тр.ос} = h_11э + (h_21э + 1)R_ос (8)

и во столько же раз снижает усиление. Величину R_ос выбирают, исходя из заданного коэффициента усиления K_u.oс.

В области низких частот (НЧ) усиление каскада уменьшается из-за влияния разделительных конденсаторов C₁ и C₂:

 

где τ _н – постоянная времени усилителя в области НЧ.

Нижняя граничная частота, на которой усиление уменьшается в раз, равна

Величина τ _н определяется постоянными времени двух цепей, в которые входят указанные выше конденсаторы:

. (11)

Здесь постоянная времени входной цепи равна

t_н1 = R_{вх.тр.ос}·C₁, (12)

где R_{вх.тр.ос} – входное сопротивление каскада с учетом влияния О.О.С.,

постоянная времени выходной цепи равна

t_н2 = (R_к + R_н)·C₂. (13)

Исходя из заданной нижней частоты усилителя f_н, из (10) можно определить требуемую величину постоянной времени τ _н и найти значения t_н1 и t_н2. Целесообразно принять постоянные времени обеих цепей одинаковыми: t_н1 = t_н2 = 2 t_н, после чего рассчитать емкости конденсаторов по формулам (12) и (14).

С повышением частоты также происходит уменьшение коэффициента усиления по сравнению с областью средних частот:

, (14)

где t_в – постоянная времени усилителя в области высоких частот (ВЧ).

Снижение усиления на ВЧ обусловлено двумя факторами:

1) уменьшением модуля дифференциального коэффициента передачи тока по сравнению с h_21э;

2) влиянием выходной емкости транзистора С_вых и емкости нагрузки С_н, шунтирующих выходную цепь усилителя.

Поэтому t_в определяется и частотными свойствами транзистора (с учетом О.О.С.), и паразитными емкостями.

Верхняя частота усилителя f_в, на которой усиление уменьшается в раз по сравнению с областью средних частот, равна

. (15)

Программа исследований

⇐ Предыдущая234567891011Следующая ⇒

Поделиться:

Популярное:

1. I. ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ ВНЕШНЕЙ ПОЛИТИКИ
2. I. Основные параметры цунами
3. I. Основные теоретические сведения
4. I. Основные этапы становления и развития физической культуры в России и зарубежных странах
5. I. ПОЛОЖЕНИЯ И НОРМЫ ДЕЙСТВУЮЩЕГО ЗАКОНОДАТЕЛЬСТВА, В ОБЛАСТИ ОРГАНИЗАЦИИ ПРОТИВОПОЖАРНОЙ ПРОПАГАНДЫ И ОБУЧЕНИЯ НАСЕЛЕНИЯ МЕРАМ ПОЖАРНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
6. I. ПРАВА СОБСТВЕННОСТИ НА СЛОЖНЫЕ ОБЪЕКТЫ
7. I. Рабочее тело и параметры его состояния. Основные законы идеального газа.
8. II. Объективное обследование больного
9. II. Основные положения по организации практики
10. II. Основные цели и задачи Совета
11. III. Краткие теоретические сведения
12. III. ОБЪЕКТИВНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ