8.2. Резистивно-емкостный каскад

Усилитель всегда молено разделить на несколько промежуточных ячеек – каскадов. Источником сигнала для данного каскада служит генератор или выход предыдущего каскада, а нагрузкой - вход следующего каскада или потребитель усиленного сигнала. Простейший усилитель состоит только из одного каскада.

Наибольшее распространение получили резистивно-емкостные каскады (RC-каскады, усилители с емкостной связью) Принципиальные схемы RС-каскадов на различных активных элементах приведены на рис 8.2. Все схемы содержат разделительные конденсаторы C_l, , которые служат для разделения напряжений смещений и сигнала. При каскадном соединении остается только один из этих конденсаторов, а второй - элемент соседнего каскада. Назначение конденсатора в цепи общего электрода (С_к,,С_э,С_и) -обеспечение постоянного напряжения па этом электроде (соответственно катоде, эмиттере или истоке) Влияние перечисленных емкостей на работу RC каскада начинает сказываться в области низких частот.

Рис. 8.2. Принципиальные схемы резистивно-емкостных каскадов на вакуумном триоде (а), биполярном (б) и полевом (в) транзисторах

Анализ работы каскадов (см. рис. 8.2) сделаем при следующих прощающих предположениях:

- емкости блокировочных конденсаторов С_к, С_э, С_и, столь велики, что на соединенных с ними электродах напряжение сигнала равно нулю;

- источник питания имеет очень малое внутреннее сопротивление, поэтому напряжение сигнала на шине питания также равно нулю;

- величина входного сигнала u_вх, мала, и рабочая точка не выходит поэтому за пределы линейного участка динамической характеристики активного элемента, т. е. его можно считать линейным.

Напряжение u₂ в отсутствие сигнала на входе равно

u₂₀=U_ип-RI₀,

а при наличии сигнала

u₂= U _ип - RI₀ - R_эkbSu_bx

где I_о - начальный ток, обусловленный режимом активного элемента, Su_BX - ток, вызванный входным сигналом, R_экв - эквивалентное сопротивление выходной цепи для тока сигнала (R_экв=R||R_i||R_H).

Постоянные напряжения не передаются в нагрузку R_н благодаря разделительному конденсатору С₁.

Принципиальные схемы каскадов на рис 8.2 можно свести к одной обобщенной для переменного тока схеме, заменив активный элемент, управляемый u_вх эквивалентным генератором тока (рис 8.3а). От этой схемы легко перейти к общей эквивалентной схеме резистивно-емкостного каскада (рис. 8.3б). Входная емкость активного элемента (С_вх) на ней не показана, так как предполагается, что она входит в емкость нагрузки предыдущего каскада или источника сигнала. И наконец, от схемы на рис 8.4б переходим к практически равнозначной ей упрощенной схеме (рис 8.3в), на которой С₂=C_вых+С_м+С_н (сумма С_Вых с емкостями монтажа и нагрузки, что справедливо, так как C₁»С_н), a R_вых=R||R_i. Эта схема представляет собой RC цепи - интегрирующую и дифференцирующую. Интегрирующая цепь образована емкостью С₂ и параллельным соединением R_вых и R_н, (интегрирование происходит на высоких частотax для которых реактивным сопротивлением емкости С₁ можно пренебречь).

Рис. 8.3. Обобщенная схема -каскада (а), эквивалентная схема (б) и упрощенная эквивалентная схема.

Постоянная времени интегрирующей цепи

τ_и=(R_вых||R_н)С₂=R_эквС₂ . (8.8)

где R_экв=R_вых||R_и. Емкость С₁ разряжается через последовательно соединенные сопротивления R_вых и R_и, по этому постоянная времени дифференцирующей цепи τ_д=(R_вых+R_и)С₁ . (8.9)

Обычно С₁ на несколько порядков больше С₂, поэтому имеется область средних частот, для которых

. (8.10)

Рис. 8.4. Эквивалентные схемы резистивно-емкостного каскада в области средних (а), высших (б) и низших (в) частот

В области средних частот (8.10) сигнал проходит через дифференцирующую и интегрирующую цепи практически без изменений, что позволяет предельно упростить эквивалентную схему усилителя (рис. 8.4а). Из этой схемы следует: u_вых=-R_эkbu_bx, и коэффициент усиления

. (8.11)

В области высших частот определяющим является влияние интегрирующей цепи и эквивалентная схема приобретает вид, показанный на рис. 8.4б. Коэффициент усиления для высших частот (К_В) можно выразить через К_о и коэффициент передачи интегрирующей цепи :

К_В=К_о . (8.12)

В соответствии с (8.11)

, (8.13)

φ_В=arctg(ωτ_и), (8.14)

h_фронта(t)= . (8.15)

В области низших частот не выполняется левая часть неравенства (8.10) и характеристики RС-каскада зависят в первую очередь от свойств дифференцирующей цепи.

Эквивалентная схема каскада для этой области показана на рис. 8.4в. Из рисунка следует: и

, (8.16)

, (8.17)

h_{вершины}(t)= . (8.18)

Здесь - коэффициент передачи дифференцирующей цепи.