методичка 2003 часть 2 (новый вариант)

2 МЕТОДЫ АНАЛИЗА ДИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ УСИЛИТЕЛЬНЫХ КАСКАДОВ

Современная теория электрических цепей предлагает большое разнообразие методов анализа схем с активными элементами (транзисторами, электровакуумными приборами и т.п.). Наибольшее распространение имеют:

-метод эквивалентных схем;

-метод четырехполюсника;

-метод обобщенных узловых напряжений;

-матричный метод;

-метод графа Мезока;

-метод обобщенного сигнального графа;

-метод транзитивных графов и др.

Однако на практике хорош тот метод, которым хорошо владеешь. Применение любого метода, как правило, начинается с построения эк-

вивалентной схемы каскада для переменного тока. При этом необходимо:

-«закоротить» все источники питания на схеме, так как их внутреннее дифференциальное сопротивление близко (в идеальном случае) к нулю;

-исключить те элементы схемы, влияние которых не предполагается анализировать или их влиянием можно пренебречь. Для диапазона средних частот - это разделительные и блокирующие конденсаторы, катушки индуктивности, паразитные емкости транзистора и т.п;

-внести необходимые упрощения за счет объединения параллельно включенных элементов.

Пример: Каскад с ОЭ (рис.1.1) на переменном токе при описании транзистора VT1 системой h-параметров в схеме с ОЭ имеет следующую эквивалентную схему (рис.2.1).

11

Дальнейший расчет схемы зависит от выбранной методики. Однако во всех случаях транзистор VT1 заменяется какой-либо моделью. Точность расчета существенно зависит от адекватности модели транзистора и принятых допущениях.

12

Формальные обобщенные методы расчета часто не отражают качественную сторону процессов, происходящих в усилителе. Это их главный недостаток. В дальнейшем, рассмотрение схем ОЭ, ОБ, ОК выполнено при разном уровне приближений и разными методами.

13

3 ПРИБЛИЖЕННЫЙ АНАЛИЗ СХЕМЫ С ОБЩИМ ЭМИТТЕРОМ

Рассмотрим основные параметры каскада с ОЭ (рис.3.1). Полагая, что транзистор VT1 не имеет внутренней обратной связи ( h12б 0) , а сопро-

тивление его коллекторного перехода бесконечно велико ( h22.1 б rк ).

В диапазоне средних частот практически все входное напряжение ивх = ес приложено к переходу эмиттер-база транзистора VT1: иэб ≈ ивх.

4

5

t

Рис.3.2. Временные диаграммы токов и напряжений в каскаде с ОЭ

15

Изменение иэб ≈ ивх приводит к изменению эмиттерного (iэ), коллектор-

ного (iк) и базового токов (iб1) VT1. C учетом тангенса угла наклона входной характеристики транзистора VT1 в рабочей точке 1 ток эмиттера

транзистора VT1, определяющее наклон статической характеристики Iэ=f(Uэб)

в рабочей точке {Iк.р,Uэб.р}. Следовательно, с учетом основных токовых соотношений в транзисторе

зистора VT1 по цепи базы;

16

β– коэффициент усиления по току базы VT1.

Коэффициент усиления по току

По определению

Рис.3.3. К расчету выходного сопротивления каскада с общим эмиттером

Для расчета Rвых источник сигнала ес необходимо подключить к выходу каскада. Тогда

17

где rвых.э - выходное сопротивление транзистора VT1 в схеме с ОЭ, определяемое по его выходным характеристикам.

Учитывая, что rвых.э 100-1000 кОм, получаем, что в большинстве случаев

Rвых.э Rк . В пределе, когда Rк Rвых.э.max Rк rвых.э .

Формулы для основных динамических параметров каскада могут быть преобразованы с учетом известной зависимости сопротивления эмиттерного

Таким образом, коэффициент усиления по напряжению К у каскада

зависит только от уровня постоянного напряжения на резисторе Rк . Оче-

видно, что напряжение питания Е является суммой следующих статических напряжений

шения K у необходимо уменьшать статическое U кб. р , а так же статическое

падение напряжения на резисторе Rэ . Однако при уменьшении Iэ.рRэ→0, ухудшается температурная стабильность режима VT1 по постоянному току, а при Uкб.р→0 уменьшается амплитуда выходного напряжения усилителя.

18

Iк. р Rк U Rк

E

в

Рис.3.4. Зависимости основных параметров каскада с ОЭ rвх.э (а), Кi (б) и Ку (в)

19

В пределе, при 0, и Iэ. р Rэ 0 получаем, что максимально возможный коэффициент усиления каскада по напряжению с резистивной нагрузкой (без учета влияния rк и μ транзистора VT1)

Если E 9B , то K у max 360 . На практике эти значения Куmax часто

не достижимы, так как на Ку влияют и другие, не учитываемые в настоящем параграфе, параметры транзистора ( h12б , h22б или , rк ).

 Максимальная амплитуда выходного напряжения каскада.

Рис.3.5. К определению максимальных амплитуд выходного напряжения U m( ) ,U m( ) каскада с ОЭ

Следует рассматривать отдельно амплитуду для положительной U m( ) и

отрицательной U m( ) полуволн выходного напряжения Uн( ) каскада с ОЭ, так как они, как правило, отличаются друг от друга.

Мгновенное напряжение на коллекторе транзистора VT1 uк (t) меняется в диапазоне от статического уровня Uк. р «вверх» к потенциалу шины питания

Е на величину U Rк , а «вниз» при Ку>>1 - до потенциала VT1 базы на величи-

ну Uкб. р (рис.3.6).

20