Эквивалентные схемы усилителя в области нижних, средних и верхних частот. Расчет параметров.

Для анализа процессов, происходящих в усилителе и вывода расчетных соотношений определяющих параметры усилителя, необходимо представление усилителя в виде эквивалентной схемы. Это позволяет провести вывод расчетных соотношений и расчет параметров усилителя (коэффициенты усиления по току KI, напряжению KU и мощности Kρ; входное Rвх и выходное Rвых сопротивления).

Рис. 3.8.. Принципиальная и эквивалентная схема усилителя с ОЭ и эмиттерной стабилизацией.

В эквивалентной схеме связи между элементами показаны для цепей протекания переменного тока. Расчет параметров каскада производится для области средних частот усиления, где зависимость параметров от частоты минимальна и не учитывается в расчетах. При таком подходе считаем, что сопротивления всех емкостей в схеме пренебрежимо малы в рабочей полосе частот и представляют собой короткое замыкание. При этом из рассмотрения также исключается Rэ, а сопротивления R1 и R2, а также Rк и Rн включены попарно параллельно друг другу, поскольку сопротивление источника питания близко к нулю.

Из эквивалентной схемы можно получить следующие соотношения:

1) значение Uвых определяется выражением Uвых = −h21эIб (Rк || R’), где знак минус указывает на то, что выходное напряжение находится в противофазе со входным напряжением. Ток базы определяется выражением ( 2.58)

тогда ( 2.59)

2)Выходное сопротивление усилительного каскада определяется параллельным включением сопротивления Rк и выходным сопротивлением самого транзистора, близким по величине к rк. Обычно rк >> Rк, и считается, что выходное сопротивление определяется величиной резистора Rк (Rвых ≈ Rк) и составляет единицы кОм. В идеальном усилителе напряжения (Rг = 0), который работает в режиме холостого хода (Rн = ∞), коэффициент усиления будет максимальным и равным: ( 2.60)

3) Входное сопротивление каскада представляет собой сопротивление

параллельного соединения резисторов R1, R2 и сопротивления входной цепи транзистора rвх R = R1 || R2 || rвх. Сопротивление входной цепи транзистора определяется как . Учитывая,

что через сопротивление rб протекает ток Iб, а через сопротивление rэ – ток (1+ h21э)Iб = Iэ получим ( 2.61)

Тогда входное сопротивление усилительного каскада определяется выражением Rвх = R1 || R2 || [rб + (1+ h21э)rэ ] (2.62)

Значение Rвх для каскада с ОЭ составляет сотни Ом или единицы кОм.

Если резистор Rэ в схеме не зашунтирован по переменному току конденсатором Сэ, то последовательно с rэ в эквивалентной схеме усилителя необходимо включать сопротивление Rэ. Входное сопротивление в этом случае определяется выражением Rвх = R1 || R2 || [rб + (rэ + Rэ)(1+ h21э)]. ( 2.63)

Очевидно, что при исключении Сэ в усилителе возникает отрицательная обратная связи по переменному току, которая увеличивает входное сопротивление усилительного каскада уменьшает его усиление до величины порядка 2-5. Включение низкоомного делителя R1, R2, улучшающего температурную стабильность усилителя, значительно снижает его входное сопротивление.

4) Коэффициент усиления по току определяется отношением тока в нагрузке Iн ко входному току Iвх KI = Iн Iвх. Ток в базе и ток в нагрузке определяются следующими выражениями ( 2.64)

Подставив полученные соотношения в выражение для коэффициента усиления по току, получим

( 2.65)

В идеальном усилителе тока (Rг = ∞), который работает в режиме короткого замыкания (Rн = 0), имеем KI = −h21э. При работе усилителя в области НЧ сопротивления конденсаторов Ср1, Ср2 на низких частотах возрастают, что приводит к потере сигнала на емкостных сопротивлениях и уменьшению коэффициента усиления. Одновременно и возрастают частотные искажения сигнала

5)Коэффициент частотных искажений, вносимый разделительным конденсатором Ср1 определяется следующим выражением: ( 2.66)

где н Cр (Rг Rвх) Cр1 1 τ = + – постоянная времени входной цепи усилительного каскада. Для Ср2 коэффициент частотных искажений определяется выражением

( 2.67)

( 2.68)

Величина Сэ также оказывает существенное влияние на величину Ku

в области НЧ С уменьшением частоты емкостное сопротивление Cэ возрастает, что приводит к росту влияния отрицательной обратной связи и уменьшению усиления.

На ВЧ существенное влияние оказывают только частотные свойства самого транзистора, в частности, величина его емкости Cк, которая включена параллельно нагрузке и с ростом частоты уменьшает полное сопротивление нагрузки усилителя.