19. Простейшие rc-фильтры.

Полосовой RC –фильтры

П олосовой RC-фильтр может быть образован путем последовательного соединения RC-фильтров нижних и верхних частот (рис. 2.30 а). Векторная диаграмма такого фильтра показана на рис. 2.30 б.

В полосовом фильтре первое звено (ФНЧ) не пропускает колебаний высоких частот, а второе звено (ФВЧ) не пропускает колебаний низких частот. Где-то в области перехода от полосы прозрачности к полосе задержки обоих звеньев и лежит максимальное значение коэффициента передачи фильтра (рис. 2.31).

Выражение для коэффициента передачи по напряжению для полосового фильтра при R₁=R₂= R и C₁=C₂=C имеет вид

(2.96)

Модуль коэффициента передачи (АЧХ) полосового фильтра согласно соотношения (2.96) дается выражением (2.97)

Максимальная величина модуля коэффициента передачи выражения (2.97) наблюдается при и принимает значение K_p=1/3 (2.98)

График выражения (2.97) показан на рис. 2.8. Как видно на данном рисунке, АЧХ полосового фильтра напоминает резонансную кривую колебательного контура. Поэтому, соответствующую частоту называют квазирезонансной. Ее значение может быть получено из выражения (2.97) с учетом соотношения (2.98)

или .

(2.99)

Заградительный RC-фильтр

Заградительный RC-фильтр часто называют двойным Т-образным мостом. Он представляет собой параллельное соединение Т-образных фильтров верхних и нижних частот (рис. 2.32 а). Качественно работу заградительного фильтра можно объяснить, перерисовав схему более наглядно, как это показано на рис. 2.32 б. В данном случае считаем, что сопротивление нагрузки R_н не влияет на работу фильтра, т. е. что R_н имеет достаточно большую величину. Слева и справа подведено переменное входное напряжение от одного и того же источника сигнала. В этом случае можно заметить, что при 0 K1 и при  K1.

Э то означает, что в области нулевой частоты и бесконечно больших частот коэффициент передачи фильтра равен 1. Векторные диаграммы для левой и правой части преобразованной схемы приведены на рис. 2.33 а, б.

Е сли направить векторы напряжений и из одной точки (рис. 2.33 в), то видно, что они при определенной частоте сигнала могут быть равны друг другу по величине и противоположны по фазе. На этой частоте, называемой так же, как и в случае полосового фильтра, квазирезонансной, коэффициент передачи фильтра будет равен нулю, а фаза меняется скачком на . Графики зависимостей K(f) и (f) представлены на рис. 2.34. Если в

р ассматриваемом заградительном фильтре положить R₁=R₂=R, C₁=C₂=C, R₃=R/2, и C₃=2C, то выражения для его АЧХ и ФЧХ будут иметь соответственно вид

, ,

(2.100)

а значение для квазирезонансной частоты будет равно

или

(2.101)

20. Усилительные элементы. Замена усилительного элемента эквивалентным генератором.

Биполярный транзистор как усилительный элемент

В качестве усилительных элементов (УЭ) в электронных усилите­лях чаще всего используются биполярные и полевые транзисторы. Рассмотрение про­стейших усилителей стоит начать с усилительного каскада на бипо­лярном транзисторе. При этом под усилительным каскадом понимает­ся минимальная часть усилителя, которая способна выполнять усили­тельные функции.

Биполярный транзистор представляет собой полупроводниковую структуру, разделенную на три области с поочередно меняющимися типами проводимости. Схематически это показано на рис. 3.11. Кон­тактные слои, расположенные в структуре слева и справа, называются соот-ветственно эмиттером (Э) и коллектором (К) прибора, а слой между ними - его базой (Б). Если область с электронной проводи-мостью находится между областями с дырочной проводи-мостью, то такой транзистор назы-вается транзистором типа р-п-р (рис. 3.11 а). Если об­ласть с дырочной проводимостью находится между областями с элек­тронной проводимостью, то такой транзистор является транзистором типа п-р-п (рис. 3.11 б). В биполярных транзисторах перенос заряда осуществляют два типа носителей - электроны и дырки, поэтому такие транзисторы и назы­ваются биполярными. Работа р-п-р транзистора аналогична работе п-р-п транзистора, и при этом изменяется лишь полярность питающих напряжений (рис. 3.11 в, г).

Возможны четыре режима работы транзистора.

1. Активный или усилительный режим, когда эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный - в обратном.

2. Режим запирания или отсечки, когда оба перехода смещены в об­ратном направлении.

3. Режим насыщения, когда оба перехода смещены в прямом на­правлении.

4. Инверсный режим, когда эмиттерный переход смещен в обрат­ном направлении, а коллекторный - в прямом.

Ниже рассмотрим активный режим работа транзистора. Так как транзистор имеет три электрода - эмиттер, базу и коллек­тор, то возможны различные схемы его включения. Но при этом в усилительном режиме для любой схемы включения необходимо, что­бы базовый электрод был входным, а коллекторный - выходным. По­этому возможны только три схемы включения транзистора как усили­тельного элемента: с общей базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ) и с общим коллектором (ОК). Для транзистора типа р-п-р эти схемы пока­заны на рис. 3.12 . В соответствии с законом Кирхгофа для токов в цепи транзистора можно записать . Направления протекающих при этом через электроды эмиттера, базы и коллектора токов I_э, I_б и I_к представлены на рис. 3.12. Важнейшим параметром биполярного транзистора, включенного по схеме с ОБ, является статический коэффициент передачи эмиттерного тока α , который характеризует усилительные свойства транзистора и вводится следующим образом. Для активной области работы прибо­ра в схеме с ОБ справедливо I_к= α I_э+ I_кб0 (3.19), где I_кб0- обратный ток коллекторного перехода, обусловленный неос­новными носителями заряда и который измеряется при обрыве эмит­тера, т. е. когда I_э =0. Из равенства (3.19) следует, что коэффициент . Но поскольку I_кб0<< I_к, то . Обычно а находится в пределах 0,95 0,99.

Аналогично для схемы включения с ОЭ для тока коллектора спра­ведливо равенство

I_к= βI_Б+ I_кэ0, где β- статический коэффициент передачи тока базы, а I_кэ0=(1+β) I_кб0 – обратный ток коллекторного перехода в схеме с ОЭ при обрыве базы т. е. когда I_б=0. Тогда из (3.22) следует что , но так как I_к>> I _кб0 и I_б>> I _кб0 , то . Характерные значения β лежат в пределах 30÷100. При анализе работы биполярного транзистора в диапазоне малых сигналов на переменном токе в соответствии с выражениями (3.21) и (3.24) для статических коэффициентов α и β вводят также соответст­вующие дифференциальные параметры - дифференциальный коэф-фициент передачи тока эмиттера , и дифференциальный коэффициент передачи тока базы .В большинстве практически важных случаев можно считать, что α_д α и β_д β. Параметр β может быть выражен через параметр α с помощью формулы .

З ависимость коэффициентов передачи по току от частоты. Частотные свойства транзистора. Коэффициенты передачи транзи­стора, включенного как по схеме с ОБ, так и по схеме с ОЭ, строго говоря, можно считать постоянными только в определенной полосе частот, и при увеличении последней эти коэффициенты начинают уменьшаться. Кроме того, с повышением частоты они становятся комплексными величинами, в связи с чем вводят ряд количественных параметров.

По определению под предельной частотой транзистора понимают такое ее значение, при котором мо­дули коэффициентов α и β уменьшаются в раз. На рис. 3.13 приведена характерная зависимость коэффициента пе­редачи транзистора по току α для схемы с ОБ от частоты усиливаемо­го сигнала.

Полевой транзистор как усилительный элемент. Схемы простейших каскадов на полевых транзисторах. В отличие от биполярных транзисторов, управляемых током, важ­нейшей особенностью полевых транзисторов является то, что в основе их работы лежит эффект управления электрическим полем переносом одного типа носителей заряда - либо электронов, либо дырок. Такие транзисторы обладают несравненно более высоким входным сопро­тивлением по сравнению с биполярными (до десятков МОм и более). Как и биполярные приборы, полевые транзисторы имеют три электро­да, являющиеся аналогами эмиттера, базы и коллектора и носят на­звания соответственно исток (И), затвор (3) и сток (С).

Различают полевые транзисторы с управляющим p-n-переходом, а также полевые транзисторы с встроенным и индуцированным канала­ми (МДП-транзисторы со структурой металл-диэлектрик-полу­проводник или МОП-транзисторы со структурой металл-окисел-полупроводник). Условные обозначения всех основных типов поле­вых транзисторов приведены ниже:

В соответствии с названиями электродов полевого транзистора раз­личают три схемы его включения как усилительного элемента: с об­щим истоком (ОИ), общим затвором (0З), общим стоком (ОС). В за­висимости от типа канала стоковые цепи полевых транзисторов пи­таются напряжениями различной полярности: n-канальные - положительным напряжением +Е_П , p-канальные - отрицательным напряжени­ем -Е_п.

П ри расчете и анализе схем на полевых транзисторах, так же, как и на биполярных, пользуются их статическими ВАХ. Различают вход­ную или стоко-затворную характеристику, представляющую собой за­висимость тока стока I_c от напряжения затвор - исток U_зи при напря­жении сток - исток U_cи =const, а также выходную или стоковую харак­теристику, т. е. зависимость тока стока I_c от напряжения сток - исток U_cи при напряжении затвор - исток U_зи =const.

На рис. 3.29 показаны примеры входных и выходных характери­стик полевого транзистора с управляющим p-n-переходом и транзи­стора типа МДП.

Н а рис. 3.30 приведена принципиальная схема усилительного кас­када с ОИ на МДП-тразисторе с встроенным каналом n-типа. Назна­чение элементов R₁ ,R₂ ,R_c , R_и, С_р, С_и и R_н то же, что и в аналогичном каскаде с ОЭ на биполярном транзисторе. Построение нагрузочных прямых по постоянному и переменному току, а также нахождение точки покоя в данном случае проводится по аналогии с каскадом с ОЭ. Легко видеть, что каскад с ОИ, как и каскад с ОЭ, инвертирует входной сигнал.

П роведем анализ работы рассматриваемого усилителя в рабочей полосе частот, использовав эквивалентную схему каскада по перемен­ному току, показанную на рис. 3.31. На этом рисунке эквивалентная схема замещения собственно МДП-транзистора обведена пунктирной линией. Усилительные свойства прибора представлены генератором тока SU_вх, шунтированным внутренним сопротивлением R_i. Параметр S=ΔI_с/ΔU_зи представляет собой крутизну стокозатворной характери­стики. Межэлектродные емкости С_зи, С_зс являются соответственно ем­костями двух p-n-переходов, а емкость С_си - выходной емкостью при­бора. Резистор R₃ = R₁||R₂ представляет собой сопротивление делителя R₁ ,R₂, а резистор R_сн = R_с||R_н - сопротивление нагрузки каскада по переменному току.

Основные параметры анализируемого каскада можно оценить, ис­пользуя достаточно простые соотношения. Коэффициент усиления по напряжению по определению есть

, а так как для полевых транзисторов имеет место неравенство R_i>>R_c и R_i >>R_сн, то

Входное сопротивление каскада

Его выходное сопротивление