Анализ работы каскада в области НЧ

В области НЧ выполняются условия:

 

		max Ri, R З, R С,			Ri, R З, R С.	(6.20)
C 0	C р

Эквивалентная схема в области НЧ представлена на рис.6.6.

C		C р
S U Вх	Y С i
i	i +1
Yi=Y 22		Y З
И

 

Рис.6.6. Эквивалентная схема выходной цепи каскада предварительного усиления

 

по схеме ОИ в области НЧ

 

Из полученной эквивалентной схемы видно, что разделительная ёмкость

 

_{C р} и сопротивление нагрузки каскада R _З образуют делитель напряжения с

 

коэффициентом передачи:

K Дел		R З	.	(6.21)
R 1
	З	j C р

 

Коэффициент передачи делителя показывает, что с понижением частоты сопротивление разделительной ёмкости будет расти, соответственно будет расти и падение напряжения на этом сопротивлении, а выходное напряжение будет уменьшаться. То есть будет снижаться коэффициент усиления всего каскада.

 

Коэффициент усиления в области НЧ:

 

K НЧ

S

R З

.

R

(6.22)

Yi Y С R 1

З

j C р

З

j C р

Частотные искажения на нижней граничной частоте оцениваются по

формуле:

K

НЧ

()

M н

н

.

(6.23)

K 0

По аналогии с ВЧ областью представим K

НЧ

в виде:

н

K

НЧ

K 0

,

н

(6.24)

j

н

н

где _н C _р R ₃ R _С || R_i – постоянная времени усилительного каскада в

 

области НЧ.

 

Частотные искажения на нижней граничной частоте оцениваются по формуле (6.25):

M н			.
			(6.25)
j	н
		н

Из записанных выражений видно, что постоянная времени каскада в НЧ области определяется ёмкостью разделительного конденсатора. Таким образом,

 

разделительный конденсатор определяет частотные искажения на нижней граничной частоте _н и поведение АЧХ усилителя в НЧ области.

 

 

Модуль комплексного значения величины частотных искажений равен:

 

н

M н

н

.

(6.26)

н

н

При заданных искажениях M

н

на заданной частоте

определим

н

:

н

н

,

(6.27)

а

н н

где а

1.

н

M н

Из полученного выражения, учитывая, что _н C _р R ₃ R _С || R_i получим выражение (6.28) для расчета значения разделительной ёмкости, при заданных частотных искажениях M _н на частоте _н.

 

C р				.	(6.28)
а	R R || R
	н н	3 С	i

В схему включают конденсатор, ёмкость которого на 30-40% превышает расчётное значение (чтобы обеспечить заданное значение искажений независимо от разброса параметров ёмкости).

 

Для устойчивой работы усилительного каскада должно выполняться условие R ₃ R_i R _С, следовательно, можно преобразовать (6.28) к виду

 

(6.29):

 

C р			.	(6.29)
	а R
		н н

 

Весь предшествующий анализ предполагал, что сопротивление конденсатора цепи истока C _И стремиться к нулю и идеально шунтирует сопротивление цепи истока R _И. Однако с уменьшением частоты

сопротивление 1	возрастает и ёмкость конденсатора C оказывает
C И	И

влияние на частотные искажения в области НЧ.

 

 

Таким образом, в реальном усилителе без учёта сделанного допущения

(1	0), существует две причины снижения усиления на НЧ:

^C И

1) Влияние разделительного конденсатора C _р, который уменьшает коэффициент усиления по постоянному току до нуля;

 

2) Влияние конденсатора в цепи истока C _И, отсутствие которого по постоянному току уменьшает коэффициент усиления в F раз. Соответственно, частотные искажения в НЧ области необходимо

 

распределить между разделительным конденсатором C _р и конденсатором в

 

цепи истока C И:
M н M н C р M н C И .	(6.30)

Распределение частотных искажений меду конденсаторами C _р и C _И

 

разработчик осуществляет самостоятельно. Возможны два варианта:

 

1) Частотные искажения распределяют поровну: M _{н C р} M _{н C И} M _н, чтобы

C _р C _И.Это позволяет снизить весогабаритные показатели усилителя,

 

поскольку габариты всех конденсаторов получаются одинаковыми

 

(наилучший случай).

 

2) Если ёмкость одного конденсатора много больше ёмкости другого. В этом случае частотные искажения усилителя M _н определяются одним конденсатором, а габариты другим. Лучше когда C _И C _р, поскольку разделительных конденсаторов в схеме больше. Этот подход используется чаще.

 

При введении ООС в НЧ области коэффициент усиления уменьшится в F

 

раз:

 

K НЧ()	K 0			K 0	.	(6.31)
F ()	1 S Z И()

 

Соответственно, частотные искажения на нижней граничной частоте,

 

обусловленные неидеальным шунтированием сопротивления цепи истока конденсатором C _И, можно записать в виде:

 

M				.	(6.32)
1 S Z И()
	н С И

Оценим НЧ искажения с помощью постоянной времени цепи истока

_И C _И R _И:

 

1 j C R

1 j

И

M н С И

н

И

И

н

,

(6.33)

j C

R

1 R

S

j

И

F

н

И

И

И

н

где F 0 1 R И S – фактор ООС по постоянному току.

Модуль комплексного значения величины частотных искажений равен:

И

M н

н

.

(6.34)

С И

F 2

И

н

При заданных искажениях M

на заданной частоте определим

И

:

н С И

н

M н С

F 021

.

(6.35)

И

И

н

1 M н С

И

Из записанного выражения, получим условие выбора конденсатора C _И по заданным частотным искажениям M _{н С И} на частоте _н:

				(M	н C И	F)2
C И						.	(6.36)
R
	И	н		1 M н C
						И

Все полученные соотношения для каскада предварительного усиления справедливы и для оконечного каскада (рис.6.7) при замене: C _Вх на C _Н и R _З на

R _Н.

 

E К

R С i+1

C р

 

C р

VTi+1

R Н C Н

R З i+1

C И i+1

R И i+1

 

 

Рис.6.7. Принципиальная схема оконечного каскада по схеме ОИ

 

Таким образом, можно сказать, что чем больше величина сопротивления нагрузки каскада (R _З), тем меньшее будет ёмкость разделительного конденсатора, необходимая для обеспечения заданных НЧ искажений. Вообще говоря, как правило, именно разделительные конденсаторы определяют габариты схемы, особенно, если используются электролитические конденсаторы.

 

Контрольные вопросы

 

32) Каково назначение каскадов предварительного усиления? а) Обеспечить окончательное усиление усилителя.

 

б) Обеспечить максимальное усиление входного сигнала. в) Обеспечить минимальные искажения полезного сигнала.

 

г) Обеспечить требуемое усиление входного сигнала при заданных искажениях полезного сигнала.

д) Обеспечить минимальный уровень шумов усилителя.

 

33)Какие условия выполняются при работе усилительного каскада по схеме общий исток в области нижних частот?

 

а) Сопротивление разделительного конденсатора очень мало, а сопротивление суммы входной, выходной и монтажной емкостей больше сопротивления в цепи стока.

 

б) Сопротивление разделительного конденсатора очень мало, а сопротивление суммы входной, выходной и монтажной емкостей больше сопротивления в цепи стока, но меньше сопротивления нагрузки (или входного сопротивления следующего каскада).

 

в) Сопротивление разделительного конденсатора очень мало, а сопротивление суммы входной, выходной и монтажной емкостей соизмеримо с выходным сопротивлением транзистора.

 

г) Сопротивление разделительного конденсатора соизмеримо с сопротивлением нагрузки (или входным сопротивлением следующего каскада), а сопротивление суммы входной, выходной и монтажной емкостей больше сопротивления в цепи стока.

 

д) Сопротивление разделительного конденсатора соизмеримо с сопротивлением нагрузки (или входным сопротивлением следующего каскада), а сопротивление суммы входной, выходной и монтажной емкостей очень мало.

 

34)Какие условия выполняются при работе усилительного каскада общий исток в области средних частот?

 

а) Сопротивление разделительного конденсатора очень мало, а сопротивление суммы входной, выходной и монтажной емкостей больше сопротивления в цепи стока.

 

б) Сопротивление разделительного конденсатора очень мало, а сопротивление суммы входной, выходной и монтажной емкостей больше сопротивления в цепи стока, но меньше сопротивления нагрузки (или входного сопротивления следующего каскада).

 

в) Сопротивление разделительного конденсатора очень мало, а сопротивление суммы входной, выходной и монтажной емкостей соизмеримо с выходным сопротивлением транзистора.

 

г) Сопротивление разделительного конденсатора соизмеримо с сопротивлением нагрузки (или входным сопротивлением следующего каскада), а сопротивление суммы входной, выходной и монтажной емкостей больше сопротивления в цепи стока.

д) Сопротивление разделительного конденсатора соизмеримо с сопротивлением нагрузки (или входным сопротивлением следующего каскада), а сопротивление суммы входной, выходной и монтажной емкостей очень мало.

 

35)Какие условия выполняются при работе усилительного каскада общий исток в области высоких частот?

 

а) Сопротивление разделительного конденсатора очень мало, а сопротивление суммы входной, выходной и монтажной емкостей больше сопротивления в цепи стока.

 

б) Сопротивление разделительного конденсатора очень мало, а сопротивление суммы входной, выходной и монтажной емкостей больше сопротивления в цепи стока, но меньше сопротивления нагрузки (или входного сопротивления следующего каскада).

в) Сопротивление разделительного конденсатора очень мало, а сопротивление суммы входной, выходной и монтажной емкостей соизмеримо с выходным сопротивлением транзистора.

 

г) Сопротивление разделительного конденсатора соизмеримо с сопротивлением нагрузки (или входным сопротивлением следующего каскада), а сопротивление суммы входной, выходной и монтажной емкостей больше сопротивления в цепи стока.

д) Сопротивление разделительного конденсатора соизмеримо с сопротивлением нагрузки (или входным сопротивлением следующего каскада), а сопротивление суммы входной, выходной и монтажной емкостей очень мало.

 

36)Какой элемент схемы общий исток позволяет изменять частотные искажения каскада общий исток на верхней граничной частоте?

 

а) Сопротивление базового делителя. б) Сопротивление стока.

в) Сопротивление нагрузки (или входное сопротивление следующего каскада). г) Емкость разделительного конденсатора.

д) Емкость нагрузки (или входная емкость следующего каскада).

 

37)Какой элемент схемы общий исток позволяет изменять частотные искажения каскада общий исток на нижней граничной частоте?

 

а) Сопротивление базового делителя. б) Сопротивление стока.

в) Сопротивление нагрузки (или входное сопротивление следующего каскада). г) Емкость разделительного конденсатора.

д) Емкость нагрузки (или входная емкость следующего каскада).