2.4. СХЕМА ЗАМЕЩЕНИЯ И ОСНОВНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ КАСКАДА С ОЭ

Для расчета усилительных параметров каскадов пользуются другим методом расчета нелинейных цепей, основанном на линеаризации нелинейных вольт-амперных характеристик транзистора (см.рис. 1.7).

Линеаризация нелинейных характеристик неизбежно связана с потерей информации о реальном элементе и ограничениях, обусловленных его нелинейностью. Так, при анализе усилителей мы можем рассчитывать только переменные составляющие (приращения) токов и напряжений каскада в классе усиления А.

При расчете переменных составляющих усилительный элемент заменяется линейной схемой замещения. На пологом участке выходных характеристик рис. 1.7, а транзистор функционирует как источник тока , приращения которого могут быть записаны в виде

где при — динамическое выходное сопротивление транзистора с ОЭ, обусловленное наклоном пологого участка выходных характеристик. Сопротивление велико ( Ом и выше).

Таким образом, выходная (коллекторная) цепь транзистора представляет собой управляемый источник тока с внутренним сопротивлением .

Входная (базовая) цепь транзистора описывается уравнением

где — динамическое входное сопротивление транзистора с ОЭ, определяемое наклоном входной характеристики транзистора (рис. ) при Сопротивление

для маломощных транзисторов порядка Ом, для более мощных транзисторов оно снижается.

Схема замещения транзистора для переменных составляющих представлена на рис. 2.6.

Рис. 2.6. Схема замещения транзистора с ОЭ по переменной составляющей

Транзистор, как и любой многополюсник, может быть представлен в виде различных схем замещения (см., например, рис. 2.7,а и б). Схема рис. 2.6 имеет ряд преимуществ, обусловивших ее выбор: 1) ее параметры легко определяются из ВАХ транзистора и имеют определенный физический смысл; 2) обозначение элементов на схеме замещения соответствует размерности величин; 3) расчетные выражения при использовании данной схемы замещения наиболее просты.

Рис. 2.7. Схемы замещения транзистора с ОЭ по переменной составляющей: а — в h-параметрах; б — в физических параметрах

В табл. 2.1 представлен перевод параметров схем замещения рис. 2.7 в параметры схемы замещения рис. 2.6.

Таблица 2.1. Связь параметров схем замещения транзистора при включении с общим эмиттером

Порядок расчета переменных составляющих токов и напряжений каскада следующий: 1) заменяем транзистор схемой замещения рис. 2.6; 2) заменяем линейную часть схемы каскада эквивалентными сопротивлениями для переменного тока, при этом учитываем, что источники постоянных напряжений комп) для переменной ляющей тока обладают нулевым сопротивлением (§ 2.2) и потому замыкаются накоротко; 3) по полученной схеме замещения каскада рассчитываются электрические параметры линейной цепи методами, известными из курса электротехники.

На рис, 2.8, а приведена схема замещения каскада по . рис. 2.3.

Рис. 2.8. Схема замещения каскада с общим эмиттером по переменной составляющей (а) и обобщенная схема замещения усилителя (б)

К коллектору транзистора подключены параллельно резисторы (источник , т. е. точки и 2 на рис. 2.3 закорачиваем) и (закорачиваем ), к эмиттеру — резистор , а между базой и общим проводом (точки 1, 2) включен источник входного сигнала.

Пользуясь схемой замещения каскада рис. 2.8, с, найдем параметры, которые характеризуют его усилительные свойства. При расчете не учитываем , поскольку оно велико.

1. Входное сопротивление . Обойдем входную цепь каскада: , поскольку . Итак,

При (каскад без стабилизации точки покоя)

. Величина в каскадах с ОЭ малой мощности порядка Ом.

2. Коэффициент усиления по напряжению в режиме холостого хода: : при Пользуясь законом Ома, выразим напряжение через токи:

При Значение Кихх при достигает в каскадах . Зависимость (2.8) показывает очень сильное уменьшение Кихх при увеличении (т.е. при повышении стабильности точки покоя).

3. Выходное сопротивление находят по теореме об эквивалентном генераторе: это сопротивление между выходными выводами усилителя при отключении всех источников сигнала (источники напряжения обрывают, источники тока закорачивают). Положим , тогда .

Сопротивление между выходными выводами

В маломощных усилителях Ом.

Любой усилитель можно заменить обобщенной схемой рис. 2.8, б, которая включает усилительные параметры . На протяжении этой части курса можно проследить тенденцию заменять приборы, каскады и более крупные электронные узлы четырехполюсниками с определенной системой обобщенных параметров. Разумное обобщение сведений об элементах электронных устройств позволяет рассматривать все более сложные системы, освобождая анализ от ранее изученных подробностей.

С помощью обобщенной схемы замещения рис. 2.8, б найдем другие параметры усилительного каскада с ОЭ, которые являются производными от . Полагаем, что источник сигнала имеет внутреннее сопротивление . Найдем коэффициент усиления каскада по напряжению при :

где — коэффициенты, показывающие потерю сигнала во входной цепи (на сопротивлении ) и в выходной цепи (на ). Всегда .

Коэффициент усиления каскада по току

Так как в каскаде с ОЭ то достижим.

Коэффициент усиления по мощности

Как правило, маломощные усилители создаются для усиления напряжения. Для получения максимального усиления по напряжению, как следует из (2.10), надо обеспечить . В каскаде с ОЭ эти условия обеспечиваются плохо. Покажем это на примере. Пусть . Из . Из (2.8) , а из . Неудачное соотношение уменьшает коэффициент усиления в 4 раза! В § 2.7, 2.8 рассмотрены способы преодоления этого недостатка, присущего транзисторным усилителям.