Эквивалентные схемы резисторного каскада усиления на различных частотах

Можно показать, что независимо от типа используемого усилительного элемента преобразованные и обобщенные эквивалентные схемы резисторного каскада усиления на различных частотах имеют вид, представленный на рис. 2.2. На нём обозначено:

- напряжение генератора сигналов; – внутреннее сопротивление генератора сигналов. – сопротивление нагрузки выходной цепи каскада по переменному току.

_{В случае использования полевого транзистора}

, где .

Рис. 2.2. Преобразованная и обобщенная эквивалентная схема резисторного каскада на средних частотах

_{В случае использования полевого транзистора}

, где .

В случае – биполярного транзистора, ,

где ;

; и параметры входной цепи транзистора, они представляют собой активную составляющую входного сопротивления следующего каскада.

При использования полевого транзистора , , где R_i – дифференциальное выходное (внутреннее) сопротивление транзистора. В случае биполярного транзистора , где U_п-переменное напряжение, приложенное к эмиттерному переходу транзистора; , где - сопротивление коллектор-база транзистора.

Здесь

; .

; ;

Рис. 2.3. Преобразованные и обобщенные эквивалентные схемы

резисторного каскада усиления:

а - на нижних частотах; б - на верхних частотах

С – разделительный конденсатор; С₀ – паразитная емкость, равная сумме емкости монтажа (С_м), входной емкости следующего каскада (С_{вх. сл.}) и выходной емкости транзистора.

Физическое объяснение вида частотной и фазовой характеристик резисторного каскада усиления

Влияние емкостей С и С₀ в диапазоне частот нарушает постоянство выходного напряжения при изменении частоты.

В области средних частот, как следует из рис. 2.2, реактивные элементы не влияют на физические процессы в усилителе. Поэтому частотные и фазовые искажения будут отсутствовать. Частотная и фазовая характеристики линейны. При уменьшении частоты сигнала сопротивление разделительного конденсатора и падение напряжения на нем возрастают. Разделительный конденсатор включен последовательно с выходными клеммами усилителя. Поэтому выходное напряжение, а следовательно, и коэффициент усиления уменьшаются.

Рис. 2.4. Амплитудно-частотная характеристка резисторного

каскада усиления

Рис. 2.5. Фазо - частотная характеристика резисторного каскада усиления

При переходе из области средних в область верхних частот уменьшается сопротивление конденсатора С₀, подключенного параллельно выходу. Увеличивается шунтирующее действие конденсатора С₀, поэтому выходное напряжение и коэффициент усиления уменьшаются.

Учитывая, что емкостные сопротивления обратно пропорциональны частоте сигнала, спад частотной характеристики стремится к пределу, равному 6 дБ на октаву (т.е. усиление падает вдвое при уменьшении частоты в 2 раза) или 20 дБ на декаду. При увеличении частоты предел спада относительного усиления аналогичный.

Рис. 2.6. Векторная диаграмма, иллюстрирующая фазовые процессы в резисторном каскаде усиления при

Рис. 2.7. Векторная диаграмма, иллюстрирующая фазовые процессы в резисторном каскаде усиления при

Фазовый сдвиг, вносимый усилителем (рис. 2.5), стремится к пределам (при f ^{→ 0}) и (при f ^{→ ∞} ). Действительно, при стремлении частоты сигнала к нулю, характер цепи усилителя стремится к «чисто ёмкостному», поэтому вектор тока (рис. 2.6) находится впереди вектора напряжения генератора на угол . Так как выходное напряжение снимается с активного элемента, то вектор напряжения совпадает с вектором тока .

Если частота сигнала стремится к бесконечности, то сопротивление конденсатора С₀ ничтожно мало. Вектор тока (рис. 2.7) совпадает по фазе с вектором порождающего напряжения генератора. Выходное напряжение – напряжение, снимаемое с конденсатора С₀, поэтому вектор напряжения отстает от вектора тока на угол .