Еквивалентна схема на стъпалото с ОЕ, АЧХ
За определяне на основните параметри на усилвателното стъпало с ОЕ използваме еквивалентната схема на усилвателя за променливи токове на базата на еквивалентната схема на транзистора в системата отh-параметри. За да изградите тази еквивалентна схема, първо разгледайте електрическата схема на каскадата само за променливите компоненти на токове и напрежения. Малкостта на вътрешните съпротивления на източниците на захранванеEkиEbни позволява да приемем, че горните точки на резисторитеRbиRkвъв веригата на фиг. 1 имат нулев потенциал за променлив ток. Схемата за променливи токове е показана на фиг. 8, а на фиг. 9 е показана еквивалентната схема на каскадата, където транзисторът е представен от неговата еквивалентна схема, освен това се добавят еквивалентните входен и изходен капацитет на транзистораSbeиSke.
За да се опрости анализа на веригата, могат да се вземат предвид обикновено изпълняваните неравенстваRb>>rbe,Ср>>Cke,Sbe. Първото неравенство ни позволява да изключимRbот еквивалентната схема. Второто неравенство ни позволява да разгледаме ефекта от разделителния и междуелектродния капацитет в различни честотни диапазони. По този начин модулът на съпротивлението на изолационния капацитет има значителна стойност (което намалява напрежението на входа на транзистора) само в нискочестотната област. В областта на високите честоти съпротивлението му може да се пренебрегне. От друга страна, съпротивленията на входния и изходния капацитет на транзистора, както и товарните капацитети, намаляват значително с увеличаване на честотата на сигнала, докато изходното напрежение намалява. Има и честотен диапазон, наречен среден, където влиянието на всички капацитети на еквивалентната верига може да бъде пренебрегнато: съпротивлението на разделителния капацитет е все още малко в сравнение ссъпротивлениеrbeи съпротивлението на паралелни капацитети е все още високо в сравнение със съпротивлениятаrbe и Rk. В тази връзка свойствата на такова усилващо стъпало обикновено се разглеждат в средночестотната област, където влиянието на всички капацитети може да бъде пренебрегнато, в нискочестотната област, където само разделителният капацитет играе роля, и във високочестотната област, където шунтиращият ефект на транзисторните капацитети не може да бъде пренебрегнат.
Фигура 10 показва еквивалентната схема на OE каскадата в средночестотната област. Приетите на диаграмата означения са:R*k =rke Rk Rn, където знакътозначава съпротивлението на паралелно свързаните елементи. Обикновено RH, rke >> Rk, така че Rk* =Rk
Нека определим собствените си параметри на усилвателя, като приемем, че изходното съпротивление на източника е нула, а съпротивлението на натоварване е безкрайно.
В този случай, като се вземат предвид избраните посоки на токове и напрежения, получаваме
Um,out=Um,ke=- Im,kRk=- Im,bRk ,
откъдето получаваме следната връзка:
Изразът за вътрешното усилване на каскадата в областта на средната честота е подобен на израза, получен с помощта на графичен анализ:
| Kmax,0 = - SRк. | (5) |
Сравнявайки изрази (5) и (2), виждаме, че наклонът на DPH в работната точкаSе свързан сh-параметрите на транзистора чрез връзкатаS= b /rbe.
Вътрешният входен импеданс на етапа, определен като съотношението на амплитудата на входното напрежение към амплитудата на входния ток, е равен в този случай
и изходното съпротивление, по дефиниция равно на отношението на амплитудата на изходното напрежение към амплитудата на изходния еквивалентен източник на ток в режим на късо съединение на входа, е равно на
Ако вземем предвид финаластойностите на изходния импеданс на източника на сигнал Rc и натоварването Rl, получаваме пълен израз за коефициента на предаване на каскадата в областта на средната честота:
Фигура 11 показва еквивалентната схема на каскадата в нискочестотната област. Различава се от схемата при средни честоти по наличието на входа на каскадата на последователна резистивно-капацитивна верига с времеконстантаn=Cp(rbe+Rс).
Комплексната амплитуда на напрежението, действащо директно между основата и емитера на транзистора в нискочестотната област, е
.
Следователно коефициентът на пренос на напрежението на каскадата в нискочестотната област ще изглежда така:
| (6) |
Обичайно е честотата, при която модулът на усилване намалява спъти от максималната стойност, да се нарича гранична честота на каскадата. От съотношението (6) може да се види, че по-ниската ограничаваща честота wgr,n=1/n.Тя е толкова по-ниска, колкото по-голяма е времеконстантатаn. Следователно, за да изградите нискочестотен усилвател с гранична честота 20100 Hz, трябва да изберете транзистор с високо входно съпротивление и разделителен капацитет с висока стойност (микрофаради).
Свойствата на каскадата във високочестотната област могат да бъдат определени от съответната еквивалентна схема за високи честоти, показана на фиг. 12.
Еквивалентен входен капацитетSbe= Se + KmaxSkи капацитетSkeSk, къдетоSeиSkса капацитети на емитерни и колекторни преходи на физическата еквивалентна верига на транзистора с OE. Входните и изходните вериги на каскадата във високочестотната област са паралелни резистивно-капацитивни вериги, които намаляват модулите на техните комплексни съпротивления с нарастваща честотасигнал и оттам изходното напрежение.
Комплексните амплитуди на базовия ток и изходното напрежение, както се вижда от фиг. 12, се определят от отношенията
Горната гранична честота на каскадата ще се определя от най-голямата от времеконстантите на входните и изходните вериги във високочестотната областin,in=Сеrbeиin,out=СеRк(тук се взема предвид, че изходното съпротивление на транзистора е много по-голямо от съпротивлениетоRк).
Пълният честотен спектър на резистивен етап с OE има формата:
.
Приблизителен изглед на честотната характеристика на каскадата е показан на фиг. 13. Тук
За да се разшири честотната лента на усилвателя, е необходимо да се увеличи времевата константа в нискочестотната област чрез увеличаване на изолационния капацитет или избор на транзистор с голямо входно съпротивлениеh11 и да се намали времевата константа във високочестотната област чрез избор на транзистор с по-ниски стойности на междуелектродните капацитети.