§ 4.3. Частотные искажения в схеме с общим эмиттером. Область низких частот

В области низких частот полосы пропускания емкостные сопротивления разделительных конденсаторов в схеме (см. рис. 4.5)

возрастают настолько, что становятся соизмеримыми с входным и выходным сопротивлениями каскадов, образуя делитель напряжения.

С уменьшением частоты возрастает емкостное сопротивление конденсатора в цепи эмиттера , что приводит к появлению отрицательной обратной связи по переменному току.

В результате совместного действия этих факторов коэффициент усиления усилителя уменьшается, образуя «завал» амплитудно-частотной характеристики в области низких частот.

Коэффициент низкочастотных искажений каскада определяется произведением коэффициентов низкочастотных искажений, обусловленных влиянием на каждого конденсатора в отдельности, т. е. .

Определим влияние на конденсатора считая в данном случае влияние остальных конденсаторов несущественным. В этом случае эквивалентная схема рис. 4.5 будет отличаться от эквивалентной схемы рис. 4.1, б лишь наличием конденсатора включенного последовательно с сопротивлением и входным сопротивлением каскада (без учета влияния на резисторов ). Тогда коэффициент усиления каскада на низкой частоте сон можно записать

Разделив числитель и знаменатель выражения (4.29) на , получим

где - коэффициент усиления каскада на средних частотах полосы пропускания; - постоянная времени перезаряда конденсатора

Умножив числитель и знаменатель выражения (4.30) на комплексно-сопряженный множитель, будем иметь модуль коэффициента усиления

Отсюда найдем выражение для коэффициента частотных искажений, обусловленных конденсатором

Влияние резисторов на можно учесть, заменив постоянную времени постоянной времени .

Определим теперь влияние на только конденсатора .

Дополнив эквивалентную схему, представленную на рис. 4.1, б конденсатором , включенным последовательно с нагрузкой , запишем ток нагрузки

а напряжение на нагрузочном сопротивлении

Принимая во внимание, что , коэффициент усиления по напряжению в области низких частот

Разделив числитель и знаменатель выражения (4.33) на , получим

где — постоянная времени перезаряда конденсатора .

Записав модуль коэффициента усиления

коэффициент частотных искажений, создаваемых конденсатором :

Теперь оценим влияние на только конденсатора в эмиттерной цепи . В этом случае эквивалентная схема рис. 4.5 соответствует эквивалентной схеме рис. 4.1, б, дополненной параллельным соединением резистора и конденсатора , включенным последовательно сопротивлению . Тогда коэффициент усиления каскада на низкой частоте будет определяться выражением

Разделив числитель и знаменатель выражения (4.36) на , после преобразований, получим

Полагая, что сопротивление резистора так велико, что выполняется неравенство , будем иметь

— постоянная времени перезаряда конденсатора через сопротивление транзистора переменному току со стороны эмиттера, которое шунтирует резистор . При малых , когда выполняется соотношение

формула для упрощается

Записав модуль коэффициента усиления

определим коэффициент частотных искажений, создаваемых конденсатором ,

Из формул для частотных искажений, создаваемых каждым конденсатором отдельно, можно определить емкости конденсаторов, обеспечивающие заданное значение . При емкости разделительных конденсаторов усилителей на биполярных транзисторах лежат в пределах десятков микрофарад, а конденсаторов, шунтирующих резисторы в эмиттерных Цепях, — в пределах сотен микрофарад.

Фазовый сдвиг между входным и выходным напряжениями каскада, определяется отношением мнимой части к действительной и складывается из трех составляющих, обусловленных 1) только входной цепью, создающей низкочастотные искажения, ; 2) выходной цепью эмиттерной цепью .

Результирующий фазовый сдвиг между входным и выходным напряжениями каскада, обусловленный всеми цепями, создающими низкочастотные искажения, определяется как сумма фазовых углов

Область высоких частот амплитудно-частотной характеристики усилителя определяется свойствами транзисторов. Упрощенная эквивалентная схема коллекторной цепи усилителя, работающего на комплексную нагрузку в области высоких частот, представлена на рис. 4.9.

Рис. 4.9.

В эквивалентных схемах коллекторных цепей промежуточных и входного каскадов сопротивление и емкость заменяются входными сопротивлением и емкостью последующего каскада усилителя.

С увеличением частоты часть коллекторного тока транзистора ответвляется в цепь параллельно соединенных емкостей , в результате чего уменьшается ток нагрузки, а следовательно, и выходное напряжение, образуя завал АЧХ в области высоких частот.

Коэффициент усиления на высокой частоте одного каскада

После преобразований получим следующее выражение:

Запишем модуль коэффициента усиления

где — постоянная времени перезаряда эквивалентной емкости коллекторного перехода

Из формулы (4.42) найдем коэффициент высокочастотных искажений, создаваемых емкостью :

В области высоких частот следует также учитывать комплексный характер коэффициента , зависящего от частоты следующим образом:

где — постоянная времени коэффициента передачи тока базы, определяемая, в основном, временем жизни неосновных носителей заряда в базе транзистора; — коэффициент усиления по току на низкой частоте.

С учетом совместного влияния постоянных времени коэффициент высокочастотных искажений одного каскада усилителя определяется выражением

где

При для высокочастотных дрейфовых транзисторов, у которых время жизни неосновных носителей в базе мало, можно записать

Для низкочастотных диффузионных транзисторов при так велико, что выполняется соотношение , поэтому приближенно можно считать .

Определив из (4.44) постоянную времени одного каскада, можно выбрать тип транзистора, обеспечивающий найденное значение .

Фазовый сдвиг между входным и выходным напряжениями одного каскада в области высоких частот находим из выражения

Из формулы (4.46) следует, что фазовый сдвиг между входным и выходным напряжениями каскада с возрастанием частоты изменяется от нуля (при до .