Исследование усилительного каскада топологическим методом На рисунке 1 приведена схема усилительного каскада. Опишем назначение элементов схемы: VT – активный элемент усилителя; R 1, R 2 – сопротивления, обеспечивающие выбор рабочей точки транзистора; Rk – нагрузка по постоянному току. Re – обеспечивает ООС, и как следствие, температурную стабилизацию; R н – нагрузка усилительного каскада; Cc – разделяющий конденсатор, ограничивает прохождение постоянной составляющей сигнала Ce – элемент, обеспечивающий отсутствие ООС по переменному току; C н – емкостьнагрузки. Параметры всех элементов схемы приведены в таблице 1. Рисунок 1 – Схема усилительного каскада Таблица 1 - Параметры схемы R1 R2 Rс Re Rн Rг C1 Cc Ce Cн кОм кОм кОм кОм кОм кОм мкФ мкФ мкФ пФ 18 3,9 2 0,47 3,6 0,7 1,0 1,5 110 50 Тип транзистора: КТ503В Необходимо составить эквивалентную схему усилительного каскада в области средних частот (СЧ), и определить коэффициент усиления K 0 . В области средних частот сопротивления конденсаторов Cc, Ce малы, следовательно, на эквивалентной схеме они будут закорочены. Также, закорачиваем и источник постоянного напряжения Е . Эквивалентная схема усилительного каскада в области СЧ приведена на рис. 3. Рисунок 2 – Эквивалентная схема каскада в области СЧ для нахождения числителя формулы Мезона Рисунок 3 – Эквивалентная схема каскада в области СЧ для нахождения знаменателя формулы Мезона Коэффициент усиления K 0 в области СЧ определим по формуле: Коэффициент усиления в дБ: Типовые значения h - параметров для заданного транзистора: h11 e = 1,4 кОм; h21 e = 75…135, для удобства расчета, принимаем h 21 e = 100; Таким образом, коэффициент усиления K 0 в области СЧ будет равен: дБ ОБЛАСТЬ НИЗШИХ ЧАСТОТ С понижением частоты реактивные сопротивления конденсаторов C1 , Ce и Cc увеличиваются (1.3), и их нужно учитывать: Так, конденсатор Cc оказывает сопротивление выходному сигналу, C1 – входному сигналу, уменьшается шунтирующее действие конденсатора Ce на резистор Re , что уменьшает коэффициент усиления на низкой частоте (НЧ). При частоте, близкой к нулю, эквивалентная схема каскада будет выглядеть так, как показано на рис. 4. Рисунок 4 – Эквивалентная схема усилительного каскада на низкой частоте. Частотные искажения, вносимые конденсаторами входной цепи C1 , и связи Cc определяется выражением: , где f – частота; – постоянная времени; Для входной цепи постоянная времени равна: , где R вх – входное сопротивление каскада; Для конденсатора связи постоянная времени равна: , Частотные искажения, вносимые эмиттерной цепью определяются из выражения: где g = Re Ce ; a = Re Ses , где Ses – сквозная характеристика эмиттерного тока, равная: кОм с. Данные расчета заносим в таблицу 2, изменяя частоту от 5 Гц до 60 Гц. Результирующие частотные искажения определяются как произведение полученных частотных искажений: , и с их учетом рассчитаем коэффициент усиления при изменении частоты: или Таблица 2 – Расчет АЧХ на низкой частоте f, Гц 5 10 20 40 60 80 100 150 200 250 M1 1,00 1,00 1,00002 1,00007 1,00016 1,00029 1,00045 1,00101 1,00179 1,00280 M2 1,000 1,000 1,000 1,001 1,003 1,006 1,009 1,020 1,035 1,054 M3 9,531 5,920 3,436 2,008 1,544 1,334 1,223 1,101 1,055 1,033 MH 9,531 5,920 3,437 2,011 1,549 1,342 1,234 1,124 1,094 1,093 KH 5,607 9,026 15,547 26,569 34,497 39,818 43,301 47,558 48,854 48,910 KH,дБ 14,974 19,110 23,833 28,487 30,756 32,002 32,730 33,544 33,778 33,788 ОБЛАСТЬ ВЫСШИХ ЧАСТОТ Эквивалентная схема каскада для высоких частот (ВЧ) не будет содержать конденсаторов C1 , Ce и Cc , так как их сопротивления на высокой частоте близко к нулю. Но, на высоких частотах, нужно учитывать емкость монтажа, C м , межэлектродную емкость Ссе , а также, емкость нагрузки C н . Эквивалентная схема на ВЧ будет иметь вид, представленный на рис. 5. Рисунок 5 – Эквивалентная схема каскада в области высоких частот Определим частотные искажения каскада в области ВЧ: где fh21e – граничная частота транзистора, в схеме с общим эмиттером; τB = RC ; С=С ce +C M +CH ; fh21e – справочное значение, равное1 мГц; Емкость С ce , – справочное значение, равная20 пФ; Емкость СМ принимаем равной 5 пФ. кОм Ф С Используя выражение (1.11), вычислим частотные искажения в диапазоне частот 50…800 кГц, данные расчета приведены в табл. 3. Таблица 3 - Расчет АЧХ на высокой частоте f, кГц 50 100 500 1000 2000 3000 4000 5000 6000 9000 MВ 1,000 1,000 1,005 1,027 1,181 1,596 2,322 3,341 4,630 10,021 Kв 53,437 53,429 53,151 52,037 45,253 33,482 23,012 15,995 11,541 5,333 Кв, дБ 34,557 34,556 34,510 34,326 33,113 30,496 27,239 24,080 21,245 14,539 По данным из таблиц 2, 3 построим АЧХ усилительного каскада. По оси ординат отложим частоту усиливаемого сигнала в логарифмическом масштабе, по оси абсцисс – коэффициент усиления в дБ. Приложение 1 АЧХ усилительного каскада