Шпоры к экзамену / 14

1. Схема замещения усилителя напряжения на биполярном транзисторе. Амплитудно-частотная характеристика. Влияния емкости конденсаторов связи и частотных свойств транзистора на АЧХ. Полоса пропускания усилителя. Коэффициент усиления, входное и выходное сопротивления  на средней частоте.

Схема замещения усилительного каскада в линейном режиме.  

         На рис.5.6 приведена схема замещения усилителя напряжения в линейном режиме для переменной составляющей сигнала с использованием h-параметров транзистора. В ее состав включена схема замещения транзистора (рис.4.12) и добавлены другие элементы из схемы усилительного каскада.

 Рис. 5.6. Схема замещения усилителя напряжения на биполярном транзисторе для переменной составляющей сигнала.

Схема замещения  позволяет записать формулу для важнейшего параметра усилителя напряжения - коэффициента усиления по напряжению (пренебрегая реактивным сопротивлением конденсаторов):

 K_U=U_вых/U_вх= h₂₁I_Б(1/(h₂₂+1/R_k+1/R_н))/ U_вх =

 = h₂₁I_Б/(h₂₂+1/R_k+1/R_н)/(h₁₁I_Б).

 Отсюда

 K_U = h₂₁/(h₂₂+1/R_k+1/R_н)/h_11.

 Входное и выходное сопротивления усилителя.

          Из схемы замещения усилителя входное сопротивление усилителя напряжения на средних частотах (в пренебрежении сопротивлением конденсата С₁)

Z_вх  =1/(1/R_Б+1/ h₁₁)

 Выходное сопротивление усилителя напряжения на средних частотах (в пренебрежении сопротивлением конденсата С₂)

Z_вых   =1/(1/R_К+h₂₂)

         Амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) называется зависимость коэффициента усиления, т.е. отношения амплитуд выходного и входного напряжений U_вых,m/U_вх,m, от частоты синусоидального входного сигнала при его постоянной амплитуде – K_U ( f ).

 

        Амплитудно-частотная характеристика.

Рис.5.7

         При уменьшении частоты сигнала f реактивное сопротивление конденсатора X_C1 =1/(2πfC₁) может быть значительно больше эквивалентного сопротивления участка «БЭ».

и заметная часть напряжения источника оказывается на конденсаторе С₁ .          При этом амплитуда напряжения u_Б(t) между базой и эмиттером уменьшится, уменьшится амплитуда тока базы i_Б(t)  и, следовательно,  - амплитуда выходного напряжения u_ВЫХ(t) . Так как амплитуда входного напряжения u_ВХ(t)  не изменялась, то коэффициент усиления K_U уменьшится.

         На низких частотах сигнала сопротивление нагрузки так же может оказаться меньше реактивного сопротивления конденсатора X_C2 =1/(2πf C₂)

  и амплитуда напряжения на нагрузке уменьшается.

         По этим двум причинам  с уменьшением частоты сигнала коэффициент усиления по напряжению уменьшается.

         В области высоких частот коэффициент усиления так же уменьшается из-за инерционных свойств транзистора (h₂₁ уменьшается с увеличением частоты) и  из-за паразитных емкостей между элементами усилителя и их выводами. На схеме замещения усилителя (рис.5.7.) паразитные емкости отражены  емкостным элементом С_П. 

         При увеличении частоты сигнала реактивное сопротивление X_CП =1/(ωC_П) уменьшается, что приводит к уменьшению амплитуды выходного напряжения.

         Моделирование дает следующие частотные характеристики (рис. 5.8). В реальном эксперименте АЧХ получают при отсутствии нелинейных искажений. Для этого устанавливают амплитуду входного напряжения на средней частоте в пределах отсутствия нелинейных искажений.

         АЧХ в demo5_2 на рис. 5.8а представлена кривой, имеющей примерно постоянное значение коэффициента усиления в области средних значений частот. Здесь условно амплитуда входного напряжения равна нулю. В области низких частот и верхних частот АЧХ спадает к нулю.

 

Рис. 5.8а. demo5_2 . Амплитудно-частотная характеристика усилителя напряжения.

 Полоса пропускания усилителя

         Рабочей областью АЧХ  - полосой пропускания усилителя принято считать участок между нижней граничной ω_Н и верхней граничной ω_В частотами.

         На граничных частотах коэффициент усиления имеет значение K_Uмакс/√2 , где K_Uмакс – максимальное значение коэффициента усиления ( находится в области средних частот).

         На рис.5.8а. полоса пропускания находится между вертикальными визирными линиями, установленными в точках  с коэффициентом усиления y1=14.7 и y2=14.7. Эти значения ординат были определены как 0.707*max y, где max y=20.8 – наибольший коэффициент усиления. 

При этом получились нижняя граничная частота x1=79.4 Гц  и верхняя x2=51.6 МГц.

         Примечание. Амплитудная характеристика снимается на средней частоте полосы пропускания.