Резистивно-емкостный каскад

Усилитель всегда можно разделить на несколько промежуточных ячеек—каскадов. Источником сигнала для данного каскада служит генератор или выход предыдущего каскада, а нагрузкой — вход следующего каскада или потребитель усиленного сигнала. Простейший усилитель состоит только из одного каскада.

Наибольшее распространение получили резистивно-емкостные каскады (RC-каскады, усилители с емкостной связью). Принципиальные схемы RC-каскадов приведены на рис.2

а) Рис. 2 б)

Схемы содержат разделительные конденсаторы С1, C1^', которые служат для разделения смещений и сигнала. .При- каскадном соединении остается только один из этих конденсаторов, а второй — элемент соседнего каскада. Назначение конденсатора в цепи общего электрода ( С_э, С_и)—обеспечение постоянного напряжения на этом электроде (соответственно на эмиттере или истоке). Влияние перечисленных емкостей на работу RC-каскада начинает сказываться в области низких частот.

Анализ работы каскадов (рис. 2) сделаем при следующих упрощающих предположениях:

1) емкости блокировочных конденсаторов С_э, С_и столь велики, что на соединенных с ними электродах напряжение сигнала равно нулю; 2) напряжение сигнала на шине источника питания равно нулю (сопротивление источника питания по переменному току .предельно мало); 3) величина входного сигнала и_вх мала, и рабочая точка не выходит поэтому за пределы линейного участка динамической характеристики активного элемента, т. е. его можно считать линейным. Напряжение и₂ в отсутствие сигнала на входе равно и₂₀=Е - RI₀,

а при наличии сигнала и₂ = Е - RI₀ - и_вхSR_экв,

где I₀ — начальный ток, обусловленный режимом активного элемента; и_вхS—ток, вызванный входным сигналом; Rэкв — эквивалентное сопротивление выходной цепи для тока сигнала (R_экв=R || R_i || R_н).

Постоянные напряжения не передаются в нагрузку R_н благодаря разделительному конденсатору С1.

Принципиальные схемы каскадов на рис.2 можно свести к одной обобщенной для переменного тока схеме, заменив активный элемент, управляемый входным напряжением и_вх, эквивалентным генератором тока (рис.3,а). От этой схемы легко перейти к общей эквивалентной схеме резистивно-емкостного каскада (рис.3,б). Входная емкость активного элемента (С_вх) на ней не показана, так как предполагается, что она входит в емкость нагрузки предыдущего каскада или источника сигнала. И наконец, от схемы на рис. 5.3, б переходим к практически равнозначной ей упрощенной схеме (рис.3,в), на которой С₂=С_вых+С_м+С_н(сумма с емкостями монтажа и нагрузки, что справедливо, так как С₁>>С_н), а R_вых=R || R_i.

Рис. 3

Эта схема представляет собой RC-цепи—интегрирующую и дифференцирующую. Интегрирующая цепь образована емкостью С2 и параллельным соединением R_вых и R_н (интегрирование происходит на высоких частотах, для которых сопротивлением С1 можно пренебречь). Постоянная времени интегрирующей цепи

τ_и = (R_вых || R_н)·С₂ = R_экв·С₂, (8)

где R_экв=R_вых || R_н Емкость С₁ разряжается через последовательно соединенные сопротивления R_вых и R_н, поэтому постоянная времени дифференцирующей цепи

τ_д = (R_вых+R_н)С₁ (9)

Обычно С₁ на несколько порядков больше С₂, поэтому имеется область средних частот, для которых

<< ω <<(10)

Рис. 4

В области средних частот (10) сигнал проходит через дифференцирующую и интегрирующую цепи практически без изменений, что позволяет предельно упростить эквивалентную схему усилителя (рис. 4, а). Из этой схемы следует: и_вых=­ –и_вхSR_экв

и коэффициент усиления

К₀ = = –SR_экв = – S. (11)

В области высших частот определяющим является влияние интегрирующей цепи, и эквивалентная схема приобретает вид, показанный на рис. 4, б. Коэффициент усиления для высших частот () можно выразить черезКо и коэффициент передачи интегрирующей цепи :

(12)

В соответствии с (11)

; (13)

arctg; (14)

h_фронта(t) = 1–. (15)

В области низших частот характеристики RC-каскада зависят в первую очередь от свойств дифференцирующей цепи. Эквивалентная схема каскада для этой области показана на рис.4,а. Из рисунка и выражения (11) следует: и

; (16)

; (17)

h_{вершины}(t) = . (18)

Здесь — коэффициент передачи дифференцирующей цепи