Учебно-методические указания к выполнению лабораторных работ для студентов III курса физического факультета

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 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