Глава 10. Широкополосные усилители.
10.1. Особенности формирования АЧХ широкополосных трактов.
Широкополосными усилителями(ШУ) называют такие усилители, у которых коэффициент усиления остается практически постоянным в широкой частотной области. Трудности с получением равномерного коэффициента усиления возникают в областях низких частот (НЧ) и высоких частот (ВЧ). В результате этого АЧХ реального ШУ имеет занижения и стремящиеся к нулю значения в этих частотных областях (рис.10.1.).
Исключение составляют лишь УПТ. Они не обладают спадом АЧХ в области НЧ и соответственно усиливают и не искажают сколь угодно медленно изменяющиеся сигналы и не обеспечивают спада импульсов при сколь угодно большой их длительности.
Прохождение этих же сигналов через усилитель не являющийся УПТ, сопровождается спадом вершины импульса.
Уровень частотных и переходных искажений, возникающих в усилительных трактах, не являющихся УПТ, определяют соотношениями:
Нормированная ачх разделительной цепи
С учетом наличия блокировочного конденсатора
Спад импульса:
Наибольшие трудности по обеспечению коэффициента усиления наблюдаются в области ВЧ. Цепи, влияющие на спад АЧХ, расположены как во внутренних, так и во внешних по отношению к транзистору цепях.
10.2. Частотные свойства транзисторов.
Транзисторы вносят искажения только в ВЧ области, следовательно, понятие ‘ частотные свойства ’ для них подразумевают рассмотрение только в ВЧ области. На рис.10.2. приведены линейные эквивалентные схемы биполярного (рис.10.2.а.) и полевого (рис.10.2.б.) транзисторов. На этих схемах показаны основные цепи, влияющие на ход АЧХ и на передаточные свойства транзисторов в ВЧ области.
В биполярном транзисторе к таким цепям прежде всего относят: Сбэ– емкость прямосмещенногоp-nперехода база-эмиттер.Сбэ, rб, gбэобразуют фильтр НЧ (ФНЧ). Постоянная времени этого фильтра при работе транзистора от источника напряжения:
а при работе от источника тока:
Приближенность в этих соотношениях обусловлена не учетом влияния Скна инерционные свойства ФНЧ.
В справочных данных на транзисторы приводят данные по частотам среза fsиf u21э, постоянным временииu21эс этими частотами связаны соотношениями:
Следовательно, в ШУ необходимо использовать в первую очередь транзисторы с малыми иu21э.
Существенную роль в формировании АЧХ в ВЧ области играет паразитная емкость Скобратно-смещенногоp-n-перехода коллектор-база. Эта емкость совместно сgбэи сопротивлениемrб+Rс(Rc– сопротивление источника сигнала) образуют цепь ООС. Под действием этой ОС может не только существенно увеличиваться входная емкость (действие эффекта Миллера), но и выходная емкость транзистора.
При включении транзисторов по схеме ОЭиОБпередача в рассматриваемой петле ОС возрастает с ростомrб+Rс. С ростом этой передачи происходит увеличение указанных паразитных емкостей.
Следовательно, при построении ШУ необходимо стремиться к уменьшению rб+Rс, при этом использовать транзисторы с малыми значениямиСкиrб.
Ранее мы рассматривали g-параметры и параметры усилителей, выраженные с помощьюg-параметров:
На базе этих соотношений можно рассчитать основные свойства усилительных каскадов в ВЧ области, заменив в них g-параметры на комплексныеY-параметры. Кроме этого на ВЧ нельзя пренебрегать проводимостью обратной связиY21, т.к. она имеет емкостной характер и на ВЧ может принимать значительную величину.
Для транзистора, включенного по схеме с ОЭ в частотной областиf<fs Y-параметры вычисляются по формулам:
g11, g12, g21, g22– низкочастотныеY-параметры, вычисляемые согласно соотношениям:
Из соотношения (10.1.а.) видим, что модуль крутизны биполярного транзистора с ростом частоты уменьшается (рис.10.3.).
Таким образом, с увеличением f,Y21уменьшается, следовательно, эффективность преобразования входного напряжения в выходные токи транзисторов падает. На частотеf=fsуменьшение составляет . Частотуfs-называют граничной частотой транзистора по крутизне.
Нормированную частотную характеристику Sможно представить в виде:
(10.2.а.)
Тогда для рис.10.2.а. можно считать, что без учета Миллера преобразование Uвх вUбэтранзистора определяется формулойМs(f). При этом спад АЧХ из-за зависимостиS=F(f)можно представить соотношением:
(10.2.б.)
В справочной литературе данные по fsприводятся редко. Обычно приводят для транзистора в схеме сОЭзначение частотыf1, на которойh21э=1, т.е. транзистор теряет усилительные свойства.
Иногда приводят частоты f h21э, когдаh21э уменьшается враз. Попробуем увязатьfsс данными, которые приводят в справочной литературе.
Известно, что
Частотная зависимость модуля h21э(f)коэффициент передачиh21э определяется по формуле:
(10.4.)
При работе транзистора в усилительной области ВАХ h21э=Cбэ/gбэв малой степени зависит от положения РТ.
Это связано с тем, что при изменении Iкпроисходит одновременное изменение какСбэ, так иgбэ.
Из (10.4.) видно, что при f>>fh21эh21э(f)h21эfh21э/f,т.е.h21э(f)обратно пропорционально частоте. Следовательно,h21э=f1/f можно величинуf1заменить на данные из справочниковh21э(f’)на оговоренной в справочнике частотеf’.Следовательно