Схема на рис.12 по существу является рабочей (принципиальной) схемой усилителя. Однако при расчете его усилительных характеристик необходимо учесть цепи, на которые подается усиленный сигнал и которые, как говорят, нагружают усилитель.

На рис.13 приведена полная схема усилителя. Сигнал с выхода схемы подается во внешнюю цепь, которая всегда является потребителем тока и нагружает усилитель. Этой цепью может быть, например, аналогичный усилительный каскад. В данной схеме элемент R_н является сопротивлением нагрузки. Емкость С часто называют паразитной, отражая этим термином необходимость учитывать ее негативное влияние на работу усилителя. Формально эту емкость можно отнести к нагрузке. На самом деле она имеет собирательный смысл; кроме емкости собственно нагрузки она включает в себя емкость монтажа. В схеме также учтено сопротивление источника сигнала R_r.

Для расчета амплитудно-частотной характеристики усилителя, принципиальная схема которого приведёна на рис.13, воспользуемся эквивалентной схемой (рис. 14), справедливой для переменных токов и напряжений. Во избежание громоздких, неудобных при анализе выражений схема упрощена. В ней не учитываются входная емкость транзистора, его выходное сопротивление и обратная связь, так как для низкочастотного диапазона обычно соблюдаются соотношения h₂₂R_к << 1, h₁₂ << 1. Считается также, что вход транзистора не шунтируется делителем напряжения (R₁R₂/(R₁ + R₂) >> h₁₁). Емкость С₀ эквивалентной схемы приближенно равняется сумме барьерной емкости коллекторного перехода транзистора и емкости нагрузки.

Как видим, элементами схемы являются емкости С_р и С₀. При изменении частоты входного сигнала их сопротивления также изменяются.

В результате ток через нагрузку, напряжение на ней, а, значит, и коэффициент усиления будут зависеть от частоты. Причем влияние указанных емкостей различно. Действительно, так как С₀ включена параллельно R_к и R_н, то ее влияние становится заметным только на достаточно высоких частотах, где сопротивление емкости соизмеримо с сопротивлениями элементов R_к и R_н или меньше их. Емкость С_р включена последовательно R_н, она будет влиять на ток нагрузки на достаточно низких частотах, где ее сопротивление становится соизмеримым или больше сопротивления R_н.

Назовем областью средних частот такой диапазон, где влиянием емкостей можно пренебречь, то есть

.

Коэффициент усиления на средних частотах находится аналогичным предыдущему (см.(6)) образом:

,                                                          (15)

где  . Выражение (15) показывает, что коэффициент усиления не в последнюю очередь зависит от сопротивления нагрузки R_н. На практике, например, при построении многокаскадных усилителей обычной является ситуация, когда сопротивление нагрузки сравнимо или даже меньше сопротивления коллекторного резистора R_к. В этом случае для сохранения усилительных свойств в схему вводят специальные согласующие цепи. Усиление зависит также от сопротивления источника сигнала R_r, величина которого может находиться в достаточно произвольном соотношении с h₁₁.

Таким образом, усилительные свойства транзисторного каскада определяются не только его схемой, но и внешними по отношению к нему цепями. Это необходимо учитывать при проектировании различных узлов радиоэлектронной аппаратуры.

В области нижних частот, как и в области средних, можно пренебречь влиянием емкости С₀ (ее сопротивление велико). Но влиянием емкости С_р пренебречь уже нельзя, и ее следует сохранить на эквивалентной схеме рис. 14. Выражение для комплексного коэффициента усиления имеет вид

.                                     (16)

В области верхних частот можно пренебречь влиянием емкости С_р (ее сопротивление мало), тогда как влияние емкости С₀ следует учесть, сохранив ее в эквивалентной схеме. Коэффициент усиления в области верхних частот описывается выражением

.                                                       (17)

Из выражений (16) и(17) следует, что коэффициент усиления в отмеченных областях является комплексной, зависящей от частоты величиной. В соответствии с формулами (15)-(17) амплитудно-частотная характеристика резисторного усилителя на биполярном транзисторе имеет вид, изображенный на рис. 15. Характеристика показывает, что в областях нижних и верхних частот имеет место падение (завал) усиления. Завал на низких частотах обусловлен возрастанием (при уменьшении частоты) сопротивления разделительного конденсатора С_р. Падение усиления на высоких частотах объясняется шунтирующим влиянием емкости С₀.

Неравномерность частотной характеристики усилителя, как и любого другого четырехполюсника, обуславливает частотные искажения сигналов с широким спектром. Считается приемлемым, если в рабочей полосе частот коэффициент передачи четырехполюсника не изменяется более чем в  раз. По этому критерию верхняя ω_в и нижняя ω_н частоты рабочей полосы получаются из (16), (17):

.                                  (18)

Полоса частот ∆f = f_в-f_н, (f= ω/2π) является важнейшей характеристикой усилителя. Для уменьшения нижней границы полосы необходимо увеличивать емкость разделительного конденсатора С_р. Полностью избавиться от емкости С₀ невозможно, поэтому, в случае необходимости, поднять верхнюю границу полосы усиления можно путем уменьшения сопротивления R_к. При этом, естественно, коэффициент усиления станет меньше.

Приведенный расчет частотной характеристики усилителя справедлив для сравнительно низких частот, когда можно не учитывать частотную зависимость параметров транзистора (в данном случае его h-параметров). Если время пролета носителей заряда между эмиттером и коллектором транзистора становится соизмеримым с характерным временем (периодом) сигнала, то не все носители успевают достичь за это время области коллектора. Запаздывание носителей обуславливает уменьшение с частотой коэффициента передачи тока эмиттера, то есть снижение усилительных свойств прибора. При этом между всеми токами и напряжениями транзистора существует зависящая от частоты разность фаз, что на языке эквивалентной схемы отражается комплексным характером ее параметров: сопротивлений, проводимостей, коэффициентов передачи. Учет частотных свойств транзисторов обычно необходим при проектировании усилительных каскадов в диапазонах, превышающих сотни мегагерц.

Следует иметь в виду, что любые описывающие транзистор параметры чрезвычайно сильно зависят от режима по постоянному току и от уровня сигнала. Поэтому в каждом конкретном случае нужно либо быть уверенным, что параметры соответствуют назначенному режиму, либо провести специальные измерения. Последнее может быть не менее сложными делом, чем построение собственно усилителя. Параметры транзистора могут быть также получены расчетным путем; он базируется на представлении транзистора сложной нелинейной эквивалентной схемой. Так как параметры элементов схемы могут быть заданы лишь с ограниченной точностью, то использование для конструирования усилителей расчетных моделей требует известной осторожности.

4. Контрольные вопросы

1. Что описывают амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики усилителя?

2. Каковы соотношения между токами биполярного транзистора?

3. Какие участки вольтамперных характеристик транзистора соответствуют режимам отсечки, насыщения и активному режиму?

4. Какой физический смысл имеют элементы эквивалентной схемы транзистора с h-параметрами?

5. Какие основные элементы схемы транзисторного усилителя определяют его коэффициент усиления?

6. Зачем в схему усилителя с общим эмиттером в цепь эмиттера вводится сопротивление R_э? Какое влияние оказывает это сопротивление на характеристики усилителя?

7. Как правильно выбрать режим транзистора по постоянному току (рабочую точку) в схеме резисторного усилителя? На какую характеристику усилителя он влияет?

8. Объяснить назначение всех элементов принципиальной схемы резисторного усилителя на транзисторе.

9. Какие элементы схемы определяют вид амплитудно-частотной характеристики усилителя?

10. Почему усилитель в диапазоне рабочих частот должен иметь постоянный коэффициент усиления?

Схема эксперимента

Лабораторный макет усилителя напряжения позволяет изменять в достаточно широких пределах параметры элементов схемы по переменному току, а также режим транзистора по постоянному току. На начальном этапе необходимо изучить экспериментальную схему усилителя; ее чертеж на рис. 16 полностью соответствует топологии макета (рис. 17). Необходимо также определить на чертеже расположение элементов, соответствующих полной схеме усилителя (рис. 13), их номиналы, а также группы контактов, перемыкая которые можно осуществлять коммутацию этих элементов.

Примечание: ключи К1 К6 позволяют подключение либо каждого элемента отдельно, либо параллельно.

Усилитель собран на кремниевом биполярном n-р-n-транзисторе BC547 (отечественный аналог КТ315Г), прибли­женные значения его h-параметров приведены в разделе 3.4. Группы контактов предназначены для переключения:

К1 - коллекторных резисторов R_к (R4, R5);

К2 - резисторов делителя напряжения R₂, задающего смещение базы транзистора (R2, R3);

К3 - эмиттерных резисторов R_э (R6, R7);

К4 - конденсаторов эмиттерной цепи С_э (С4, С5);

К5 - для подключения резисторов нагрузки R_н (R8, R9);

К6 - для подключения конденсатора нагрузки C (Сб).

Рис. 17. Макетная плата для исследования
усилителя на биполярном транзисторе

Порядок проведения работы

Расчет усилителя

Расчет усилителя предлагается провести, исходя из заданных коэффициента усиления К и сопротивления нагрузки R_н Для определения величины сопротивления R_к следует использовать соотношение (15). При этом необходимо иметь в виду, что источником сигнала является делитель напряжения R₁, R₂; выходное сопротивление такого источника равно R_r = R₁R₂/(R₁ + R₂). Выбор эмиттерного сопротивления R_э и тока транзистора I_к0 в рабочей точке производится с помощью соотношения (10). Нужно исходить из того, что напряжение на транзисторе U_кэ0 должно составлять 5 7 вольт, то есть примерно половину напряжения питания Е_к =12В.

В этом случае рабочая точка будет находиться в центральной части активной области характеристик транзистора (см. раздел 3.6). Расчет делителя R₁, R₂ схемы рис.13, задающего рабочую точку, производится по формулам (12) с учетом рекомендуемого соотношения между токами делителя и базы: I_д =(3=10)Iб0. Далее, с помощью формул (18) необходимо оценить f_н и f_в для предлагаемых величин емкостей С, С_р. (Введением в схему емкости С искусствен­но моделируется завал усиления в области верхних частот.)