3.1.2. Определение частотной, фазовой и переходной характеристик

Анализ свойств и характеристик многокаскадных усилителей, как указывалось ранее, производят следующим образом. Вначале определяют свойства и характеристики отдельных каскадов и цепей по их эквивалентным схемам, подвергая их анализу и расчету, а затем по данным этих каскадов находят показатели всего усилительного устройства. Наиболее наглядным и простым методом анализа характеристик усилительного каскада является метод составления уравнений контурных токов и узловых напряжений для его эквивалентной схемы, по которым затем находят частотную, фазовую или переходную характеристику каскада и электрические данные деталей принципиальной схемы.

При выводе уравнений частотной и фазовой характеристик каскада, необходимых для определения свойств и расчета усилителей гармонических сигналов, обычно предполагают, что на вход каскада от внешнего источника сигнала подается установившееся синусоидальное электрическое колебание известной амплитуды и частоты U_вх=U_вхmsinωt. Затем для эквивалентной схемы каскада составляют систему уравнений Кирхгофа в комплексной форме для контурных токов и узловых напряжений, решив которую находят установившееся для произвольной частоты ω значение выходного сигнала U_вых=U_выхmsin(ωt+φ). Поделив U_вых на U_вх или Е_ист, получают уравнение частотно-фазовой характеристики К=F₁(ω)или К*=F₂(ω), которое затем можно привести к нормированному виду Y=F₃(ω) или Y=F₄(ω).

Выражения, определяющие модуль К, К* или Y, являются уравнениями частотной характеристики анализируемого каскада; они могут быть представлены в обычном или нормированном виде. А уравнениями его фазовой характеристики являются выражения, определяющие вносимый каскадом угол сдвига фазы φ= или Решив уравнение частотной характеристики относительно электрических данных деталей каскада, получают формулы для их расчета по допустимым частотным искажениям на нижней ω_н и верхней ω_в рабочих частотах.

При выводе уравнения переходной характеристики каскада, необходимого для определения свойств и расчета усилителей импульсных сигналов, обычно полагают, что на вход усилителя от источника сигнала подается мгновенный скачок напряжения u_вх. Составив по эквивалентной схеме каскада систему уравнений Кирхгофа для мгновенных значений контурных токов и узловых напряжений, решением этой системы находят зависимость мгновенного значения выходного напряжения от времени , представляющую собой переходную характеристику каскада, которую затем можно привести к нормированному виду y=f(x). Решив уравнение переходной характеристики относительно электрических данных деталей принципиальной схемы, получают формулы для их расчета по допустимым искажениям фронта и вершины усиливаемых импульсов.

Если уравнение частотно-фазовой характеристики уже имеется, то уравнение переходной характеристики каскада можно получить из него с помощью так называемого операционного метода.

3.1.3. Резисторный каскад

Как указывалось ранее, вследствие простоты, де-шевизны, малых габаритных размеров и массы и хороших частотных и переходных характеристик резисторный каскад является основным типом каскада предварительного усиления как в транзисторных, так и в ламповых усилительных устройствах..

На рис. 3.2.1 приведены принципиальные схемы резисторных усилительных каскадов предварительного усиления с биполярным транзистором и с полевым транзистором, работающих на такие же следующие каскады;

Рис. 3.1.1. Резисторные промежуточные каскады предварительного усиления с резисторными входными цепями:

а — с биполярным транзистором; б — c полевым транзистором

Сплошными линиями изображены те детали и цепи, которые определяют свойства каскада. Так как вспомо-гательные цепи, имеющиеся на схемах рис. 2.4.1 (цепочки фильтров СфRф, цепочки катодного смещения С_кRк, эмиттерной стабилизации СэRэ и т. д.), не обязательны для резисторного каскада и могут в нем отсутствовать, то анализ свойств каскада можно упростить и проводить без учета влияния этих цепей. Для этого достаточно предположить, что емкости блокировочных конденсаторов этих цепей С_ф, С_к, С_э бесконечно велики и их сопротивления для частот сигнала равны нулю, тогда резисторы R_к,R_к, R_э окажутся для переменного тока накоротко замкнутыми и не войдут в эквивалентную схему каскада. При выполнении этих условий эквивалентные схемы каскадов, изображенных на рис. 3.1.1, составленные из эквивалентной схемы выходной цепи усилительного элемента рассматриваемого каскада, схемы .межкаскадной связи и эквивалентной схемы входной цепи усилительного элемента следующего каскада, примут вид, показанный на рис. 3.1.2.

Изображенная на эквивалентных схемах емкость С_м, (подключенная параллельно нагрузке, представляет собой емкость монтажа каскада, образуемую емкостью монтажных проводников и деталей схемы относительно шасси усилителя или общего провода. Емкость монтажа зависит от геометрических размеров и конструкции усилительных элементов и деталей, а также от их расположения. У каскадов с впаянными в схему транзисторами при миниатюрных деталях и правильном их расположении С_м=3..4 пФ.

Рис. 3.1.2. Эквивалентные схемы резисторных каскадов

предварительного усиления, изображенных на рис. 3.2.1:

а - с биполярным транзистором; б - с полевым транзистором

Так как емкость конденсатора межкаскадной связи С резисторного каскада обычно на несколько порядков больше паразитных емкостей, включенных между верхним и нижним проводниками эквивалентных схем рис. 2.4.2, то все имеющиеся между верхним и нижним проводниками емкости без заметной погрешности можно заменить их суммой:

(3.1.1)

Схему рис. 3.1.2а можно еще упростить, заменив параллельно включенные сопротивления делителя смещения одним сопротивлением После этого рассматриваемые эквивалентные схемы резисторных каскадов предварительного усиления (см.рис. 3.1.2); можно представить в обобщенном виде, изображенном на рис. 3.1.3.

Здесь Е_г представляет собой ЭДС генераторам сигнала, равную или ; R_г — внутреннее сопротивление генератора сигнала, равное R_к.б или R_i в соответствии с обозначениями рис. 3.1.2. Сопоставляя схемы рис. 3.1.3 а и б, видим, что эквивалентная схема с биполярным транзистором отличается от схемы с полевым транзистором лишь тем, что содержит дополнительно сопротивления r_б.сл и r_б.э.сл, сумма которых представляет собой активную составляющую входного со- противления транзистора следующего каскада.

Для получения более наглядных физических представлений о резисторном каскаде рассмотрим его свойства подробнее.