2. Теоретическое введение

Усилительные каскады классифицируются в соответствии с тем, какой из электродов активного элемента является общим для входной и выходной цепи. В транзисторной электронике используются схемы с общим эмиттером, общей базой и общим коллектором.

Рис. 3.1. Схема усилительного каскада с общим эмиттером

В данной работе рассматривается простейший усилительный каскад с общим эмиттером, содержащий всего один усилительный элемент (см. рис. 3.1), и определяются его основные параметры: – коэффициент усиления по напряжению, – коэффициент усиления по мощности, и – входное и выходное сопротивление соответственно. Эти параметры характеризуют усилительные свойства каскада, его взаимодействие с нагрузкой и источником входного сигнала.

Для определения упомянутых параметров необходимо знать изменения токов и напряжений, возникающие при действии входного сигнала. В последующем изложении мы будем пренебрегать нелинейными искажениями, считая, что переменные составляющие токов и напряжений достаточно малы. Это позволяет описывать зависимости переменных составляющих от входного сигнала с помощью линейных функций.

Рассмотрим наиболее распространенную схему усилительного каскада с общим эмиттером, показанную на рис. 3.1. В этой схеме резисторы , и задают начальное смещение перехода эмиттер-база транзистора; является нагрузкой каскада по постоянному току, а параллельное соединение и – нагрузкой по переменному току. Цепочки и – образуют фильтры верхних частот и не пропускают низкочастотные составляющие сигнала ( – входное сопротивление каскада по переменному току).

На рис. 3.2 показаны эпюры токов и напряжений в установившемся режиме (закончились переходные процессы) для синусоидального входного сигнала . В левой части показаны постоянные составляющие токов и напряжений, которые устанавливаются до воздействия сигнала.

При поступлении положительной полуволны входного сигнала базовый ток увеличивается, вызывая возрастание тока коллектора. При этом увеличивается падение напряжения на сопротивлении и потенциал коллектора уменьшается. Следовательно, в этой схеме наряду с усилением происходит сдвиг фазы синусоидального напряжения на 180°, т.е. меняется полярность выходного напряжения по сравнению с полярностью входного.

Рис. 3.2. Эпюры токов и напряжений в установившемся режиме

Анализ в области средних частот

Анализ усилителя проведём обобщённым матричным методом. Пользуясь этим методом, из непосредственного рассмотрения схемы можно получить её матрично-векторные параметры, по которым определяются искомые токи и напряжения или находятся аналитические выражения для параметров схемы.

Для определения переменных составляющих токов и напряжений или таких параметров усилителя, как , , и с помощью линейных методов анализа необходимо предварительно преобразовать принципиальную схему каскада, показанную на рис. 3.1. При преобразовании схемы учитываются как конкретные условия работы усилителя, так и цель проведения анализа. Нередко в принципиальную схему вводятся элементы, которые учитывают дополнительные связи (паразитные емкостные или индуктивные связи между элементами и т.п.) или побочные явления в электронных цепях (тепловые шумы, изменения параметров при изменении внешних воздействий и т.п.).

Проведём анализ усилителя для средних частот, пренебрегая всеми паразитными явлениями и инерционностью транзистора, а также полагая внутренние сопротивления источников постоянного напряжения равными нулю, а проводимости ёмкостей и на средних частотах достаточно большими. Эти условия позволяют представить усилитель в виде идеального устройства, в котором полностью исключены нелинейные искажения.

Для переменных составляющих токов и напряжений преобразованная схема приведена на рис. 3.3, где .

Рис. 3.3. Эквивалентная схема усилительного

каскада с общим эмиттером для средних частот

Анализ электронной схемы методом контурных токов сводится к следующим операциям:

1. Выбираются направления контурных токов и контурам присваиваются номера (рис. 3.3).

2. Записывается матрица схемы без учёта многополюсных элементов (транзистора), а также сопротивлений источника сигнала и нагрузки. Для схемы рис. 3.3 матрица схемы имеет вид

. (3.1)

3. Поочерёдно рассматриваются многополюсные элементы (электронные лампы, транзисторы, индуктивно связанные группы двухполюсников) и соответствующие элементы матриц много-полюсников, вписываются в матрицу схемы. (Если одна из сторон многополюсника не связана ни с одним контуром схемы, то её обозначают через «0», и элементы нулевой строки и нулевого столбца матрицы многополюсника не вписываются в матрицу схемы). Для нашего случая, если известна матрица параметров транзистора

, (3.2)

полученная из рассмотрения эквивалентной Т-схемы транзистора, то, обозначив строки и столбцы этой матрицы номерами, соответствующими подсоединению транзистора в схеме рис. 3.3 можно получить полную матрицу схемы:

, (3.3)

дополнив ранее записанную матрицу (3.1) элементами матрицы (3.2).

4. Устанавливаются номера входных и выходных контуров схемы. Для нашего случая это соответственно контура 1 и 4.

5. Записываются выражения для искомых параметров. В случае схемы рис. 3.3 выражения для , , имеют вид

, , ,

где и – определитель и алгебраические дополнения матрицы (3.3).

Раскрыв определитель и соответствующие алгебраические дополнения в случае, когда , получим

,

, (3.4)

(при ), (3.5)

, (3.6)

. (3.7)

Эти выражения позволяют оценить параметры усилительного каскада и проследить их зависимость от параметров транзистора и номиналов внешних элементов. Например, из (3.7) следует, что существует оптимальное сопротивление нагрузки , при котором коэффициент усиления мощности достигает максимума.

При определении коэффициента усиления каскада по напряжению (3.6) не учитывалось внутреннее сопротивление источника сигнала и определяется как отношение падения напряжения на к напряжению на входе усилителя (т.е. между точками 1 и 1´ рис. 3.3). Однако будет равно ЭДС генератора сигнала лишь в случае, когда или . Для реальных схем и источников сигнала эти условия не выполняются и напряжение сигнала подаётся на вход усилителя через делитель, образованный и входным сопротивлением усилителя .

Если определить сквозной коэффициент усиления схемы как отношение выходного напряжения усилителя к напряжению генератора сигнала, то

. (3.8)

Это выражение позволяет проследить и влияние внутреннего сопротивления генератора сигнала на коэффициент усиления напряжения.

Заметим, что, анализируя зависимости параметров схемы от номиналов ее элементов, необходимо оценивать (и учитывать) и изменение параметров транзистора, так как они зависят от режима работы усилителя.