8.Каскады усиления переменного сигнала

Под переменными сигналами понимаются такие, которые име­ют относительно большие скорости изменения или малое время существования, а также сигналы, которые не содержат постоян­ных составляющих. Усилители переменных сигналов в отличие от усилителей постоянного тока не способны воспроизводить сколь угодно медленно изменяющиеся сигналы.

Это обусловлено тем, что в усилителях переменных сигналов на пути распространения сигнальных токов и напряжений вклю­чены разделительные конденсаторы С_р. Кроме того, в них могут применяться блокировочные конденсаторы С_б, исключающие вли­яние на распределение сигнальных потенциалов участков цепи, зашунтированных этими конденсаторами.

Синтез схемы каскада переменного сигнала осуществляется в два этапа. На первом проводится выбор его структуры и номина­лов элементов с точки зрения обеспечения заданного режима ра­боты на постоянном токе. На втором этапе в схему каскада вводятся разделительные и блокировочные конденсаторы, с по­мощью которых формируется требуемая схема включения транзи­стора на переменном токе.

На рис. 4.8 приведены типовые схемные построения каскадов с ОЭ, ОК и ОБ, которые по своим свойствам на постоянном токе эквивалентны схеме на рис.

,

Условие эквивалентности выполняется на всех частотах, где сопротивлением конденсаторов С_р и С_б можно пре­небречь. На низких частотах, где указанное условие не выполня­ется, коэффициент усиления имеет уменьшенные значения, т.е. в широкополосном тракте наблюдается спад АЧХ (возникают час­тотные искажения).

Низкочастотные и переходные искажения в усилителях переменного сигнала

На низких частотах выполнить условия пренебрежимо малого значения сопротивления конденсаторов С_р и С_б не удается, в ре­зультате чего в каскаде возникает снижение передаточных свойств, а при прохождении прямоугольного импульса большой длитель­ности происходит спад вершины импульса, возникающий из-за того, что каскад не способен передавать постоянные и медленно изменяющиеся сигнальные напряжения. Для снижения этих сиг­нальных изменений требуется увеличение емкостей конденсато­ров С_р и С_б, что не всегда выполнимо из конструктивных и эко­номических соображений. Поэтому номиналы емкостей этих кон­денсаторов выбирают исходя из предельно допустимых частотных или переходных искажений.

Сначала рассмотрим принципы выбора минимально возмож­ного значения емкостей конденсаторов С_р, при котором на ниж­ней границе I_н частотного диапазона спад АЧХ усилителя в разде­лительной цепи из-за конечной емкости конденсатора С_б не преdысит заданного значения ε_р.

Эквивалентная схема сигнальной цепи, содержащей раздели­тельный конденсатор, приведена на рис. 4.9

при этом рис. 4.9, а соответствует случаю, когда сигнальные изменения представлены помощью генератора тока, а рис. 4.9, б — с помощью генерато­ра ЭДС. Оба представления взаимно эквивалентны. Оба представления взаимно эквивалентны. Конденсатор Cр разделяет цепь на два независимых на постоянном токе участка. В этих схемах резисторы R1 и R2 выступают в роли эквивалентов полных сопротивлений на постоянном токе участков цепи, вне­шних по отношению к конденсатору С_р.

Рассмотрим передаточные свойства этой цепи в частотной об­ласти, взяв за основу схемное построение рис. 4.9, б, считая, что и качестве источника сигнала выступает генератор сигнальной ЭДС Е_с с внутренним сопротивлением R1, а нагрузкой является рези­стор R2. В области средних частот точки 1—2 эквипотенциальны, так как на этих частотах сопротивление конденсатора С_р по сравне­нию с сопротивлением R₁ + R₂ пренебрежимо мало. В результате этого на средних частотах коэффициент передачи частотно независим и равен

К_р = и₂/Ес = R₂(R₁ + R₂).

В области низких частот общее сопротивление последователь­ной цепи (см. рис. 4.9, б) больше, а протекающий в ней ток мень­ше по сравнению с областью СЧ. В результате выходное напряже­ние и₂ разделительной цепи в области низких частот имеет зани­женное значение. Эквивалентная схема на рис. 4.9 имеет достаточ­но широко применяется.

Нормированная АЧХ разделительной цепи определяется соот­ношением

где τ_р — постоянная времени разделительной цепи, τ_р = C_p(R₁ + R₂)

На основании последнего соотношения можно сформулиро­вать требования к значениям емкости конденсатора С_р, при кото­рых на нижней граничной частоте f_H спад нормированной АЧХ не превышал бы ε_р:

Рассмотрим принципы выбора минимально возможного зна­чения емкости блокировочного конденсатора С_б, при котором спад АЧХ усилителя в схемах на рис. 4.8 из-за недостаточного шунтиру­ющего действия блокировочного конденсатора С_б не превысит за­данного значения е_б В схемах на рис. 4.8 конденсаторы С_б в области низких частот не могут оказать достаточного блокирующего (шун­тирующего) действия, в результате цепь общего вывода УП не имеет нулевого сопротивления.

Для включения по схеме с ОЭ и ОИ

Для включения по схеме с ОБ

В любом усилительном каскаде, не являющимся УПТ, т.е. в усилителе с АЧХ, имеющей спад в области низких частот, возни­кают переходные искажения. Эти искажения связаны с тем, что усилители переменных сигналов не способны передавать посто­янные и медленно меняющиеся сигнальные напряжения. В частности, если в схеме на рис. 4.9 сигнальный ток i_с или сигнальная ЭДС Е_с имеет вид скачка, то напряжение и₂ на выходе раздели­тельной цепи будет изменяться по экспоненциальному закону:

u₂(t) = u₂(0)ехр(t/τ_р),

где и₂(0) — напряжение на выходе разделительной цепи в момент начала действия импульсного сигнала, и₂(0) = (R₁||R)i_c.

График напряжения u₂(t) приведен на рис. 4.11.

При конечной длительности t_и прямоугольного импульса к моменту его окончания вершина импульса претерпевает спад Δ, как это показано на рис. 4.11, при этом

где f_н0,7 — нижняя граница полосы пропускания разделительной цепи, определенная по уровню -3 дБ.

Из этой формулы вытекает соотношение, позволяющее на­ходить значения емкости конденсатора С_р, при которых в схеме на рис. 4.9 спад вершины прямоугольного импульса длительнос­тью t_и не превысит Δ: