Анализ работы усилительного каскада с ОЭ на переменном токе

Рассмотрим схему с ОЭ, широко применяемую в устройствах на дискретных компонентах.

Принципиальная схема и принцип работы

Конденсатор С1 изолирует источник сигнала по постоянному току и соединяет его со входом каскада по переменному току. Конденсатор С2 - то же по отношению к выходу каскада и нагрузке. Сэ - шунтирует резистор Rэ и устраняет ООС на частоте сигнала.

Анализ работы каскада в области средних частот

Биполярный транзистор - это управляемый источник тока. Источник сигнала - генератор Э.Д.С.

Пренебрегаем влиянием разделительных С1 и С2 и блокировочного С_Э конденсаторов.(т.к. Х_С10, Х_С20, Х_Сэ0), паразитных емкостей нагрузки С_Н и коллекторной цепи С^*_к, а также считаем коэффициент передачи тока h_21э=₀ вещественной величиной.

Найдем коэффициент усиления по напряжению

.

Здесь R_к.н.=R_к||R_н - обозначение для краткости параллельной цепи R_к и R_н .

R_вх.т.оэ =h_11э - входное сопротивление транзистора.

R_вых.т - выходное сопротивление транзистора при U_вх=0 (или U_г=0).

Входное сопротивление транзистора найдем, используя параметры физической модели транзистора

Дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода зависит от тока эмиттера:

.

Поэтому h_11э зависит от рабочей точки. Например , r_б=200 Ом, h_21э= 50. Если I_э.0=2мА , h_11э = 450 Ом, если I_э.0=5мА, то h_11э = 850 Ом,.

Входное сопротивление каскада будет меньше

R_вх=h_11э||R_б.

Выходное сопротивление транзистора

R_вых.т=U_вых/I_к при U_вх=0; R_к.н.=.

I_к=(U_вых/r^*_к.диф.) – h_21эI_б; в свою очередь, ,

Отсюда R_вых.т= r^*_к.диф(1+h_21э).

Выходное сопротивление транзистора зависит от сопротивления источника сигнала R_r во входной цепи. В режиме холостого хода на входе, т.е. R_r _б0

R_вых.тr^*_к.диф

В режиме короткого замыкания на входе, т.е. R_r=0

R_вых.т r ^*_к.диф

Если говорить о выходном сопротивлении усилителя, то к нему нужно отнести и R_к:

R_вых=R_вых.т||R_к

Если R_вых.т>>R_к, то R_выхR_к

Коэффициент усиления по току

Можно считать, что K_ioh_21э=

Работа каскада в области нижних частот

С понижением частоты колебаний входного сигнала возрастает реактивное сопротивление разделительных и блокировочного конденсаторов.

Цепи С1,R_вх и С2,R_н образуют делители напряжения, а цепь Сэh_11б образует элемент ООС по току

Эти цепи уменьшают коэффициент усиления, а также создают дополнительный фазовый сдвиг напряжения в сторону опережения. Действия этих трех цепочек можно заменить одной эквивалентной цепью с постоянной времени в области нижних частот _н:

1/_н=1/_н.вх+1/_н.э+1/_н.вых

Коэффициент усиления на низких частотах

K(j)= K_uo/(1+1/j_н)

АЧХ каскада в области нижних частот

M_н()= .

Зависимость дополнительного сдвига фазы от частоты

_н()=arctg (1/_н)

Нижняя граничная частота, на которой усиление падает в 2 раз, _н=1/_н, а дополнительный фазовый сдвиг _н(_н)=/4

При 0 K_uн0 , а сдвиг _н/2

Таким образом, для обеспечения заданной частоты _н необходимо выбирать

_н=1/_н

Расширение полосы усилителя в области нижних частот достигается за счет увеличения емкостей С1, С2, С_э. Емкость С_э шунтирует малое сопротивление

(r_э.диф+(r_б+R_r)/(h_21э+1)) || R_э

поэтому величина С_э должна быть значительно больше С1 и С2.