УСИЛИТЕЛИ НАПРЯЖЕНИЯ С РЕЗИСТИВНО-ЕМКОСТНОЙ

СВЯЗЬЮ

Усилительные каскады с общим эмиттером и общим истоком, яв­ляющиеся основой усилителей напряжения, имеют коэффициент уси­ления , равный, как правило, нескольким десяткам. Однако для многих устройств промышленной электроники требуются усилители со значительно большими коэффициентами усиления по напряжению. В этих случаях часто используют многокаскадные усилители с резистивно-ем­костной связью. На рис. 3.25 приведена схема двухкаскадного усилите­ля напряжения с резистивно-емкостной связью на биполярных тран­зисторах типа п-р-п Усилитель состоит из двух усилительных каска­дов с общим эмиттером, соединенных между собой через конденсатор связи С_с1, который не пропускает постоянную составляющую коллек­торного напряжения транзисторна VT₁ в базовую цепь транзистора VT₂Конденсатор связи С_с2 не пропускает постоянную составляющую кол­лекторного напряжения транзистора VT₂ на нагрузочное устройство усилителя, которое подключают к этому конденсатору

Рис 3.25. Схемадвухкаскадного усилителя напряжения с резистивно­емкостной связью на биполярных транзисторах

Рис 3.26 Схема замещения транзисторного двухкаскадного усилителя на­пряжения с резистивно-емкостной связью

В каждом усилительном каскаде применена температурная стабили­зация, обеспечиваемая элементами R_э и Сэ. На рис. 3,26 приведена схе­ма замещения транзисторного двухкаскадного усилителя напряжения с резис­тивно-емкостной связью без нагрузочного устройства, поэтому на схе­ме не показан конденсатор связи С_с2 . Емкостный элемент С₀ учитыва­ет входную емкость С_вх второго каскада (3.10а) и емкость монтажа С_м

                                                            (3.34)

где  — коэффициент усиления по напряжению второго каскада; С_К2— емкость коллекторного перехода второго транзистора.

Для определения коэффициента усиления заменим усилительный каскад эквивалентным генератором (рис. 3 27) с ЭДС, равной выход­ному напряжению ненагруженного усилительного каскада и внутренним сопротивлением, равным выходному сопро­тивлению усилительного каскада с общим эмиттером, т.е.

Как было показано в § 3.2, коэффициент усиления по напряжению ненагруженного усилительного каскада с общим эмиттером

На эквивалентной схеме усилительного каскада (см. рис. 3.27)  представляет собой входное сопротивление следующего каскада.

Рис 3.27. Эквивалентная схема уси­лительного каскада с резистивно­емкостной связью

Как видно из рис. 3.27, выходное напряжение (3.35)или после несложных преобразований
(3.35а)
Так как в усилителях емкость во много раз меньше емкости С_с, то в формуле (3.35а) членом  по сравнению с  можно пренебречь. С учетом этого выходное напряжение (3.35 б)
Учитывая, что  = , выражение для коэффициента усиления по напряжению каскада усилителя с резистивно-емкостной связью мож­но записать в виде                         (3.36)                                                                      где — соответственно постоянныевремени усилительного каскада на верхних и нижних частотах.Из (3.36) нетрудно получить модуль коэффициента усиления по напряжению усилительного каскада

                                  (3.37)и аргумент, представляющий собой угол сдвига фаз между выходным и входным напряжениями: (3.38)

Из полученных выражений видно, что коэффициент усиления каскада зависит от частоты. Наибольшие значения коэффициент усиления имеет вобласти средних частот, для которой . В этой области частот емкости С_сиС₀ , входящие в выражения для постоянных времени тих не оказывают влияния на коэффициент усиления. Максимальноезначение

коэффициент усиления имеет на частоте

(3.39)
      

которая называется квазирезонансной частотой усилителя.

В области нижних частот , поэтому для определения коэффициента усиления К_нможно воспользоваться формулой

  (3.37а)

Из этой формулы видно, что на коэффициент усиления сильное влия­ние оказывает емкость конденсатора связи С_с, входящая в вьфажение для постоянной времени т_н . С уменьшением частоты сопротивление кон­денсатора связи х_Сс= 1/ С_с возрастает, падение напряжения на нем увели­чивается, выходное напряжение уменьшается, что приводит к снижению коэффициента усиления

В области верхних частот  и коэффициент усиления выража­ется формулой

(3.37б)

Это означает, что на коэффициент усиления оказывает влияние емкость, входящая в выражение для постоянной времени . Сопротивление  емкостного элемента С₀ на нижних частотах много больше R_вх, поэтому оно не влияет на значение выходного напряжения. На верхних час­тотах сопротивление становится соизмеримым с R_вх. С ростом частоты сопротивление  уменьшается, шунтирует сопротивление R_вх , поэтому выходное напряжение, а следовательно, и коэффициент усиления снижаются. Конденсатор связи С_с на верхних частотах не оказывает вли­яния на коэффициент усиления, так как его сопротивление х_Ссмало.

Для оценки свойств усилителя напряжения с резистивно-емкостной связью на разных частотах пользуются амплитудно-частотными  и фазо-частотными  характеристиками Эти характе­ристики для усилителя с резистивно-емкостной связью приведены из рис.3.28,а,б.

При очень низких частотах (  ) коэффициент усиления усилителя , так как сопротивление конденсатора связи

Рис.3.28. Амплитудно-частотная (а)и фазо-частотная (б) характеристики усилителя напряжения с резистивно-емкостной связью

При очень высоких частотах ( ) коэффициент усиления ,, так как сопротивление емкостного элемента .

Снижение коэффициента усиления в области нижних и верхних частот (см.рис.3.28,а) называют частотными искажениями. Это название обус­ловлено тем, что при усилении несинусоидального напряжения отдельные составляющие его усиливаются по-разному из-за неравномерной частот­ной характеристики, вследствие чего форма кривой усиливаемого напря­жения искажается.

Частотные искажения оценивают коэффициентами частотных искаже­ний, которые равны:

 на нижних частотах

(3 40)

на верхних частотах

(3.41)

Обычно для усилителей напряжения с резистивно-емкостной связью допускаемый коэффициент частотных искажений лежит в пределах 1,05 — 1,4. Очень часто допустимое значение частотных искажений при­нимают равным . Это соответствует частотам, при которых 1/ и  становятся равными единице. Частоты  и , соответствую­щие допустимым значениям коэффициента частотных искажений, назы­вают нижней и верхней граничными частотами, а диапазон частот, вкотором коэффициенты частотных искажений не превышают допусти­мых значений, т.е. - полосой пропускания усилителя.

Фазо-частотная характеристика усилителя (смрис. 3.28,б) показывает, что в области нижних частот выходное напряжение опережает по фазе входное, а в области верхних частот отстает от него. В предельных случа­ях при  и угол сдвига фаз стремится соответственно к π/2 и - π /2.

Рассмотренные выражения справедливы при неизменных парамет­рах транзистора.

Однако коэффициент передачи тока  на высоких частотах умень­шается в  раз на некоторой предельной частоте . Это не сказывается на частотных характеристиках усилителя, если в пределах полосы пропус­кания значение остается постоянным, т.е. если предельная частота значительно больше верхней граничной частоты усилителя  .

При соизмеримых значениях  и  на высоких частотах увели­чиваются спад коэффициента усиления и угол сдвига фаз между вы­ходным и входным напряжениями (пунктирные кривые на рис. 3.28). Это необходимо учитывать при выборе типа транзистора и определе­нии полосы пропускания. При  полоса пропускания на высо­ких частотах ограничена предельной частотой  транзистора и не зависит от параметров элементов усилителя.

Коэффициент усиления многокаскадного усилителя в идеальном случае равен произведению коэффициентов усиления отдельных каскадов:

(3.42)

Отсюда следует, что коэффициент частотных искажений и углы сдвига фаз между выходным и входным напряжениями многокаскад­ного усилителя возрастают с увеличением количества каскадов:

(3.43)

(3.44)

Следовательно, полоса пропускания усилителя с увеличением ко­личества каскадов уменьшается.

В последнее время многокаскадные усилители переменного напряже­ния с резистивно-емкостной связью часто выполняют на интегральных микросхемах. Например, интегральные микросхемы серии К123 позво­ляют создавать многокаскадные усилители низкой частоты с полосой пропускания 220 Гц — 100 кГц и коэффициентом усиления 30 — 500.

Следует иметь в виду, что в интегральных микросхемах отсутствуют конденсаторы связи, входные и выходные разделительные конденсаторы, так как конденсаторы большой емкости трудно выполнять в интегральномисполнении, поэтому помимо входных и выходных выводов, выво­довдля подключения источников питания микросхемы снабжают выво­дами для подключения конденсаторов связи.

Задача 3.16. Определить коэффициент усиления  на средних часто­тах первого усилительного каскада двухкаскадного усилителя с резистивно-емкостной связью (см.рис.3.25), верхнюю и нижнюю граничные час­тоты, на которых коэффициент усиления равен если известно, что ,  кОм, емкость конденсатора связи , емкость  мкФ, входное сопротивление второго каскада  Ом.

Решение. Используя формулы для коэффициента усиления на средних частотах, верхней и нижней граничной частот, получим:

Задача 3.17*. Как изменятся верхняя и нижняя граничные частоты первого усилительного каскада усилителя, рассмотренного в задаче 3.16, если: а) емкость C_c1 уменьшить в 4 раза; б)  увеличить в 2 раза; в) емкость С₀₂ увеличить в 4 раза; г) С₀₂ уменьшить в 2 раза?

Ответы приведены в таблице

Варианты	а	б	в	г
,кГц	65,6 240	65,6 30	16,4 60	131,2 60

Задача 3.18. Определить коэффициент частотных искажений , если на нижней граничной частоте коэффициент усиления составляет 25, а на средней частоте — 30.

Ответ: М_н=1,2.

Задача 3.19. Определить коэффициент усиления усилителя  на сред­них частотах, если на высшей частоте полосы пропускания коэффициент усиления , а коэффициент частотных искажений М_в= 1,1

Ответ: K₀=44.

Задача 3.20. Определить частоту, на которой коэффициент усиления будет иметь максимальное значение, если известно, что постоянная времени в области верхних частот τ_в = 0,3 мкс, а в области нижних частот τ_н = 6 мс.

Решение. Значение средней частоты, на которой коэффициент усиления максимален, определяем с помощью формулы (3.39)

 кГц.