В.В. Дуркин - Схемотехника аналоговых электронных устройств - Методические указания к лабораторным работам, страница 2

Егодостоинства – простота, малые размеры, хороший ход АЧХ и ПХ.11На рис. 1.2 приведена схема резисторного каскада, а на рис.1.3 его АЧХ, которая имеет четко выраженное деление на тричастотных диапазона: область нижних, средних и верхних частот.В области средних частот выходное напряжение, а значит икоэффициент передачи, не зависит от частоты. А это может бытьтолько в том случае, если на этих частотах сопротивления разделительных емкостей СР1, СP2 и емкости в цепи эмиттера СЭ практически равны нулю, а сопротивление емкости нагрузки СН значительно больше сопротивления резистора RН.

Кроме того, параметры транзистора – действительные величины.СФRФ+ЕпRКR Б1СР2СР1RГЕГR Б2RНUбэСНU1СЭRЭРис. 1.2. Резисторный каскадна биполярном транзистореС повышением частоты, во-первых, начинают сказыватьсячастотные (инерционные) свойства транзистора и, во-вторых,шунтирующее влияние емкости нагрузки, сопротивление которой(1/ωСн) с ростом частоты падает. Эти два фактора и приводят кснижению коэффициента передачи на верхних частотах (рис.1.3).С понижением частоты возрастают сопротивления емкостейСР1, СР2 и СЭ.

Возрастание сопротивление эмиттерной емкостивызывает увеличение глубины ООС за счет конечного сопротивления переменному току в цепи эмиттера и уменьшение выходного напряжения.12K(f)/K 01Ср1, Ср2, СэТранзистор, СнОбластьнижних частотОбластьсредних частотОбластьверхних частотfРис. 1.3. Нормированная АЧХ резисторного каскада(K0 – коэффициент передачи в области средних частот)К уменьшению этого напряжения приводит и возрастание сопротивлений разделительных конденсаторов, так как все большаячасть полезного сигнала будет выделяться на этих сопротивлениях.UвыхUвых0.9UmΔUmа)б)tиt0.1UmtуtРис. 1.4.

Переходные характеристики усилителяАЧХ каскада используется для описания его поведения в частотной области, во временной области для этих же целей применяют ПХ (рис. 1.4). Так как форма АЧХ и ПХ определяется од13ними и теми же элементами каскада, то любое изменение АЧХвызовет соответствующие изменения ПХ. Как известно ПХ представляет собой реакцию схемы на входное напряжение, изменяющееся по закону единичной ступенчатой функции. Такаяфункция имеет непрерывный спектр от нуля до бесконечности.Высокочастотные составляющие спектра формируют собственносам скачок, а низкочастотные «отвечают» за плоскую часть ступеньки. Если бы усилитель имел бесконечно широкую полосупропускания, т.е.

без ослабления пропускал бы на выход все составляющие спектра входного сигнала, то выходное напряжениетакже представляло бы из себя ступеньку. Ограничение полосыпропускания в области верхних частот вызовет затягивания фронта ПХ (появление конечного времени установления tу) (рис.1.4.б), а в области нижних частот – искажение её плоской части(появление спада Δ) (рис. 1.4.а).K(f)τэкв2 < τэкв1R экв1CэквUвх(р)Uвых(р)0.707а)τэкв1б)f вс1f вс2fРис. 1.5. Фильтр нижних частот(а – схема, б – АЧХ)В области верхних частот резисторный каскад ведёт себя какRC-фильтр нижних частот первого порядка (рис. 1.5).

Здесь:Rк Rн, Cэкв = Сн + Свых + τ R' экв ,Rэкв =Rк + Rнгде Свых и τ – выходная ёмкость и постоянная времени транзистора. Передаточная функция такого фильтра описывается выражением:U ( р)1,K( p) = вых=Uвх ( р) 1+ pτэкв14где τэкв = RэквCэкв – постоянная времени фильтра. Модуль этоговыражения и есть нормированная АЧХ резисторного каскада вобласти верхних частот:K( f ) Uвых ( f )11,y====K0U01+ (ωτэкв )21+ ( f fвс )21– верхняя частота среза.2πτэквЧто нужно делать для расширения полосы пропускания каскада в сторону верхних частот (т.е.

для увеличения fвс). Ответ, напервый взгляд, прост. Необходимо уменьшать постоянную времени τэкв (рис. 1.5.б). Но как это сделать, и какие при этом возникают проблемы? Сделать это можно, уменьшая емкость нагрузкиСн, выбирая более высокочастотный транзистор (это приведёт куменьшению Свых и τ) и уменьшая сопротивление Rэкв. Последний путь наиболее реальный. Но уменьшение этого сопротивления приведет к уменьшению коэффициента передачи К0 в области средних частот, так какK0 = −g21Rэкв ,где g21 – проводимость прямой передачи (крутизна) транзистора.Т.е., стремясь расширить полосу пропускания в сторону верхних частот, мы ухудшаем усилительные свойства каскада. Этопроблема любого широкополосного усилителя, а не только резисторного каскада.Поведение резисторного каскада в области верхних частотможно объяснить и не прибегая к формулам.

Действительно, чтобы увеличить коэффициент передачи фильтра (делителя) (рис.1.5.а) на заданной частоте (расширить полосу), необходимоуменьшить сопротивление последовательного плеча Rэкв и увеличить сопротивление параллельного 1/ωСэкв, т.е. уменьшить емкость Сэкв. Дальнейшие рассуждения аналогичны предыдущим.Если на вход каскада подать напряжение в виде ступеньки, тоПХ фильтра на рис. 1.5.а примет вид, изображенный на рис. 1.4.б.Скорость нарастания выходного напряжения (время установления tу) будет зависеть от постоянной времени τэкв.

Чем меньше этагде fвс =15постоянная, тем быстрее будет нарастать выходное напряжение,т.е. тем меньше будет время установления.Таким образом, для улучшения формы ПХ в области малыхвремён (для уменьшения времени установления) необходимопринимать те же самые меры, что и для расширения полосы пропускания в сторону верхних частот.На поведение АЧХ в области нижних частот влияют разделительные конденсаторы CР1 и СР2, а также конденсатор в цепиэмиттера CЭ.

Если эти конденсаторы вносят небольшие искажения, то их влияние на АЧХ можно рассматривать независимодруг от друга, т.е. изучая влияние одного конденсатора, другиеполагаем равными бесконечности. Перемножая или складываяполученные АЧХ можно построить результирующую АЧХ в области нижних частот. Сложение АЧХ производится в том случае,если по оси ординат откладывается усиление в децибелах.Физика влияния раздеI(p)лительных конденсаторовC р2CР1 и СР2 на АЧХ идентична.

Поэтому для примераRкU вх ( р)R н U вых ( р)возьмём конденсатор Ср2,тем более, что ёмкостьименно этого конденсатораРис. 1.6. Фильтр верхних частотизменяется в ходе лабораторной работы. Если положить, чтоСр1 = Сэ = ∞, то резисторный каскад в области нижних частот будет вести себя, как RC-фильтр верхних частот первого порядка (рис. 1.6). Ток через нагрузку:Uвх ( p)I ( p) =1Rк + Rн +рСр2будет медленнее уменьшаться при понижении частоты (что приведёт к расширению полосы пропускании каскада в сторонунижних частот), если будет выполняться неравенство1. Т.е.

резисторы Rк и Rн должны быть высокоомRк + RнрСр216ными, а конденсатор Ср2 должен иметь большую ёмкость. Другими словами, чем больше постоянная времени τ p2 = Cp2 ( Rк + Rн ) ,тем шире полоса пропускания каскада в сторону нижних частот(рис. 1.7).Если на вход такого фильтра подать ступенчатое напряжениеамплитудой Uвхm, то в первоначальный момент времени частьэтого напряженияU * = U вх mRнRк + Rнвыделится на сопротивлении Rн, так как напряжение на емкостине может поменяться скачком. Далее конденсатор начнёт заряжаться со скоростью, которая определяется постоянной времениτ p 2 . Ток через нагрузку, а значит и выходное напряжение, будутуменьшаться. Когданапряжение на конденсаторе практически будет равно U * ,ток через нагрузкупрекратится и выходное напряжение будет равно нулю, т.е.ПХ будет иметь видкак на рис.

1.4.а. Чембольше постояннаявремени τ p2 , темy(f)ττр2p1*10.707**ττp2р2fнс2fнс1τ р2* >τ р2**Сp2* > Cp2**fРис. 1.7. АЧХ резисторного каскадав области нижних частот при Ср1 = Сэ = ∞медленнее будет заряжаться конденсатор и тем меньше будетспад Δ.Таким образом, для улучшения формы ПХ в области большихвремён (для уменьшения Δ) необходимо принимать те же самыемеры, что и для расширения полосы пропускания в сторону нижних частот.Теперь рассмотрим влияние конденсатора в цепи эмиттера Сэна АЧХ и ПХ, полагая что Ср1 = Ср2 = ∞ и параметры транзисторане зависят от частоты, т.к. рассматривается только область нижних частот.

При СЭ = ∞ других реактивностей в схеме (рис. 1.2)17нет и АЧХ имеет вид прямой (идеальна!) (рис. 1.8). При СЭ = 0 засчёт RЭ возникает частотно-независимая ООС которая уменьшаеткоэффициент усиления.CЭ2>СЭ1K(f)2K0CЭ=∞CЭ11K01 + RЭ g 21СЭ=0fРис. 1.8. АЧХ резисторного каскадав области нижних частот при СР1 = Ср2 = ∞При СЭ = const ООС нейтрализуется только в области среднихчастот. С понижением частоты сопротивление 1 ωСЭ растет ипоявляется ООС (последовательная по току), глубина которойтем больше, чем ниже частота (кривая 1). Если увеличить емкость СЭ, то действие ООС будет проявляться только на болеенизких частотах (кривая 2), т.е.