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: С_бэ – емкость прямосмещенного p-n перехода база-эмиттер. С_бэ, r_б, g_бэ образуют 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 С_к на инерционные свойства ФНЧ.

В справочных данных на транзисторы приводят данные по частотам среза f_s и f _u21э, постоянным времени  и _u21э с этими частотами связаны соотношениями:

Следовательно, в ШУ необходимо использовать в первую очередь транзисторы с малыми  и _u21э.

Существенную роль в формировании АЧХ в ВЧ области играет паразитная емкость С_к обратно-смещенного p-n-перехода коллектор-база. Эта емкость совместно с g_бэ и сопротивлением r_б+R_с (R_c – 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 ОЭ и ОБ передача в рассматриваемой петле ОС возрастает с ростом r_б+R_с. С ростом этой передачи происходит увеличение указанных паразитных емкостей.

Следовательно, при построении ШУ необходимо стремиться к уменьшению r_б+R_с, при этом использовать транзисторы с малыми значениями С_к и r_б.

Ранее мы рассматривали g-параметры и параметры усилителей, выраженные с помощью g-параметров:

На базе этих соотношений можно рассчитать основные свойства усилительных каскадов в ВЧ области, заменив в них g-параметры на комплексные Y-параметры. Кроме этого на ВЧ нельзя пренебрегать проводимостью обратной связи Y₂₁, т.к. она имеет емкостной характер и на ВЧ может принимать значительную величину.

Для транзистора, включенного по схеме с ОЭ в частотной области f<f_s Y-параметры вычисляются по формулам:

g₁₁, g₁₂, g₂₁, g₂₂ – низкочастотные Y-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 , Y₂₁ уменьшается, следовательно, эффективность преобразования входного напряжения в выходные токи транзисторов падает. На частоте f=f_s уменьшение составляет . Частоту f_s- называют граничной частотой транзистора по крутизне.

Нормированную частотную характеристику S можно представить в виде:

(10.2.а.)

Тогда для рис.10.2.а. можно считать, что без учета Миллера преобразование U_вх в U_бэ транзистора определяется формулой М_s(f). При этом спад АЧХ из-за зависимости S=F(f) можно представить соотношением:

(10.2.б.)

В справочной литературе данные по f_s приводятся редко. Обычно приводят для транзистора в схеме с ОЭ значение частоты f₁, на которой h_21э=1, т.е. транзистор теряет усилительные свойства.

Иногда приводят частоты f _h21э , когда h_21э уменьшается в раз. Попробуем увязатьf_s с данными, которые приводят в справочной литературе.

Известно, что

Частотная зависимость модуля h_21э(f) коэффициент передачи h_21э определяется по формуле:

(10.4.)

При работе транзистора в усилительной области ВАХ _h21э=C_бэ/g_бэ в малой степени зависит от положения РТ.

Это связано с тем, что при изменении I_к происходит одновременное изменение как С_бэ, так и g_бэ.

Из (10.4.) видно, что при f>>f_h21э h_21э(f)h_21эf_h21э/f, т.е. h_21э(f) обратно пропорционально частоте. Следовательно, h_21э=f₁/f  можно величину f₁ заменить на данные из справочников h_21э(f’) на оговоренной в справочнике частоте f’. Следовательно