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 С 1, C 1^', 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 и ₂ в отсутствие сигнала на входе равно и ₂₀= Е - RI ₀,

а при наличии сигнала и ₂ = Е - RI₀ - и_вхSR _экв,

где I ₀ — начальный ток, обусловленный режимом активного элемента; и _вхS—ток, вызванный входным сигналом; R экв — 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 С ₂= С _вых+ С _м+ С _н(сумма с емкостями монтажа и нагрузки, что справедливо, так как С ₁>> 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 С 1 можно пренебречь). Постоянная времени интегрирующей цепи

τ_и = (R _вых || R _н)· С ₂ = R _экв· С ₂, (8)

где R _экв= R _вых || R _н Емкость С ₁ разряжается через последовательно соединенные сопротивления R _вых и R _н, поэтому постоянная времени дифференцирующей цепи

τ_д = (R _вых+ R _н) С ₁ (9)

Обычно С ₁ на несколько порядков больше С ₂, 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 _вх SR _экв

и коэффициент усиления

К ₀ = = – 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 через Ко 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