26

Методическое пособие

по курсу

«СХЕМОТЕХНИКА АНАЛОГОВЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ»

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 области низких (НЧ) и высоких (ВЧ) частот. В результате этого АЧХ реального ШУ имеет заниженные и стремящиеся к нулю значения в этих частотных областях (рис. 10.1)

к

f

НЧ

СЧЧ

ВЧ

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 являющимся 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 постоянства коэффициента усиления наблюдаются в области ВЧ. Цепи, влияющие на спад АЧХ, расположены как внутри транзистора, так и во внешних по отношению к транзистору цепях.

10.2. Частотные свойства транзисторов.

Транзисторы вносят искажения только в ВЧ области (понятие «частотные свойства» для них подразумевают и рассматривают только в ВЧ области). На рис. 10.2 приведены линейные эквивалентные схемы биполярного (рис. 10.2а) и полевого (рис. 10.2б) 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 и 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 с учетом влияния С_кна инерционные свойства ФНЧ. В справочных данных на транзисторы приводят данные по частотам среза и постоянные времени и с этими частотами связаны соотношениями:

В ШУ необходимо использовать в первую очередь транзисторы с малыми и.

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_бэи сопротивлением r_б+R_c(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 растет с ростом r_б+R_c. С ростом этой передачи происходит увеличение указанных паразитных емкостей.

При построении ШУ необходимо стремиться к уменьшению r_б+R_c, при этом использовать транзисторы с малыми значениями С_ки 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 заменой в них g – параметров на комплексные параметры. Кроме этого на ВЧ нельзя пренебрегать проводимостью обратной связи Y₁₂, т.к. она имеет емкостной характер и на высоких частотах может принимать значительную величину.

Для транзистора, включенного по схеме ОЭ, в частотной области f<f_s

Y – параметры вычисляются по формулам:

` (10.1,а)

(10.1,б)

С_бэ

(10.1,в)

(10.1,г)

g₁₁, g₁₂, g₂₁, g₂₂– низкочастотные Y – параметры, вычисляем согласно соотношений:

Из соотношения (10.1,а) видно, что модуль биполярного транзистора с ростом частоты уменьшается (рис. 10.3)

Y₂₁

g₂₁=S₀

g₂₁=S_o– значение в НЧ и среднечастотной областях

f

f_s

рис. 10.3

Таким образом с увеличением частоты Y₂₁ падает – эффективность преобразования входного напряжения в выходные токи транзисторов падает. На частоте f=f_sуменьшение составляет . Частоту f_s– называют граничной частотой транзистора по крутизне.

Нормированную частотную характеристику можно представить в виде:

(10.2a)

Тогда для решения уравнения вида (10.2а), можно считать, что без учёта эффекта Миллера преобразование U_вхв U_бэтрадиционно определяется средней М(s) (f). При этом спад АЧХ из-за зависимости S=F(t) можно представить соотношением:

(10.2б) (10.2б)

В справочной литературе данных по F_sприводится редко. Обычно приводится для схем с ОЭ, значением частоты F₁, на которой h_21Эуменьшается в2.

Попробуем увязать F_sсданными, которые приводят в справочной литературе.

Известно, что (10.3)

Частотная зависимость модуля h21э(f) коэффициент передачи h21э определяется соотношением :

(10.4)

При работе транзистора в усилительной области ВАХ h_21э(f)=С_бэ/g_бэв малой степени зависит от положения РТ. Это связанно с тем, что при уменьшении I_к происходит одновременное изменение как С_бэ, так и g_бэ.

Из (10.4) видно, что при ffh21э h21эh2_1э/f т.е. h_21э(f) обратно пропорционально частоте . h_21э(f)=f1/f следовательно величину f1 можно определять из справочников f’. f1=f’h_21э(f’).

Тогда из этого соотношения, а также из (10.3) и (10.4) и соотношения то

G_бэ можно вычислять по соответствующим соотношениям:

(10.5)

Это соотношение является основным на основании которых могут вычисляться F_sна основании данных о частотных свойствах транзистора полученных со справочника.

Пример.Оценить значение граничной частоты транзистора, у которого модуль коэффициента передачи h_21э(f) на частоте f’=200 МГц равен трём.

Коэффициент усиления по току h_21э=100, R_б=40 Ом.

Транзистор работает при токе I_к=5 мА.

 F_s=0,026*200*3/40*5*10^-3=78мГц

Включение в эмиттерную цепь транзистора резистора Rf, т.е. переход от схемы ОЭ к схеме ОЭ_fснижает влияние инерционноститранзистора как на реактивные составляющие его входной и выходнойпроводимостей. Тогда крутизна привязки на постоянном токе ( НЧ область).

Комплексная же величина крутизны эквивалентного транзистора представляется в виде :

(10.6а)

(10.6б)

где: _f=/(1+G₂₁*R_f) – постоянная времени эквивалентного транзистора.

F_sf=1/2***f=F_s*(1+G₂₁*R_f) – граничная частота по крутизне эквивалентного транзистора.

Тогда сравнения F_st,G_21fиt с соответствующими F_s,G₂₁ипоказывает, что влияние резистора Rf вызывает :

Снижение крутизны транзистора в (1+G₂₁*R_f) раз

Улучшающая частотные свойства транзистора в (1+G₂₁*R_f) раз.

Граничная частота транзистора по крутизне увеличивается в (1+G₂₁*R_t) раз

Проводимости Y₁₁и Y₂₂ увеличиваются в (1+G₂₁*R_f) раз.

Пример. Рассчитать граничную частоту эквивалентного транзистора F_sf(см. предыдущий пример), R_f=5 Ом.

G₂₁=5*10^-3/(0,026(1+40*5*10^-3/100))=0,19 См

Тогда F_sf=F_s(1+=G221*Rf)=78*10⁶*(1+0,19*5)=152 мГц

Значение спада s(f) зависит как от типа транзистора (от F_s), так и от схемы его включения, т.е. от величины R_f в эмиттере транзистора.

В каскадах ОКR₁это и нагрузочный резистор и при рассмотренном режиме общего спада АЧХ для каскада ОК инерционного транзистора обычно пренебрегают. Считается чтоs(f)0 может быть только в каскаде ОЭ и ОБ.

В отличии от биполярных внутренняя структура полевого транзистора не содержит явно выраженного инерционного звена. Можно считать, что полевой транзистор не имеет частотных ограничений по параметру крутизны S0 имеет невысокие значения, т. е. При преобразовании выходного напряжения в выходной ток полевой транзистор не может создать высокого напряжения на ВУ. При преобразовании вых. тока j_выхв выходное напряжение U_выхначинают на ВЧ начинают сказываться параллельные соединения С_зси С_сч. Тогда на частоте f=S₀/2(C_pc+C_cx) коэффициент усиления K(f)=U_вых/U_вхстановится равным единице. Эту частоту обычно и принимают за граничную частоту полевого транзистора.

В соответ. с реш. 10.2б Y-параметры полевого транзистора представляют в виде для схем ОК:

Y₂₁=S=G₂₁; Y₁₁=G₁₁+jw(С_зс+С_зч).

Y₂₂=G₂₂+jwС_зс; Y₁₂=-jwС_зс.