Электроника в вопросах и ответах - Хабловски И. - Страница 49

Основные схемы однокаскадного широкополосного усилителя не отличаются от представленных на рис. 7.7 и 7.10. Разница заключается в использовании меньших сопротивлений нагрузки и подборе соответствующих усилительных элементов. Для ламповой схемы применяют пентоды с большим отношением крутизны к параллельной емкости (S/С), а для транзисторной — транзисторы, характеризующиеся большим значением граничной частоты f_гр.

Временной характеристикой усилителя называется отклик усилителя на заданный эталонный входной импульс. За эталонный импульс чаще всего принимают единичный скачок или скачок напряжения от 0 до 1 за бесконечно малый промежуток времени. На практике это импульс с очень коротким временем нарастания и соответственно большой длительностью.

Если бы усиление усилителя не зависело от частоты, то выходной импульс имел бы ту же форму, что и входной. Однако, поскольку каждый усилитель, даже широкополосный, имеет ограниченную полосу пропускания, следует ожидать, что входной импульс не будет идеально воспроизведен на выходе усилителя, а отклик усилителя будет зависеть от свойств схемы. Математический анализ усилителя позволяет утверждать, что форма начальной части (фронта) выходного импульса зависит от свойств усилителя в диапазоне высоких частот, тогда как форма средней части выходного импульса (вершины) зависит от свойств усилителя в диапазоне низких частот. С точки зрения измерений широкополосных усилителей временная характеристика является полезным мерилом качества усилителя, поскольку сразу же демонстрирует вносимые усилителем искажения.

На рис. 7.1 показаны отклики усилителя на единичный скачок, единичные отклики в области фронта и вершины. Единичный отклик в области фронта может быть колебательным или монотонным.

Рис. 7.11. Формы фронта (а) и вершины (б) на выходе усилителя при единичном скачке на входе:

_{1 — колебательная форма фронта; 2 — монотонная}

Для полного определения искажений фронта служат три параметра; время нарастания τ_н, определяемое как время нарастания отклика от 0,1 до 0,9 в установившемся состоянии; время задержки τ_з определяемое как время нарастания отклика от 0 до 0,5 в установившемся состоянии; амплитуда первого колебания (выброса) l.

Естественно, что последний параметр не относится к непрерывно нарастающему (монотонному) отклику.

Для определения вершины отклика за критерий ошибки принимается спад z в момент t = Т. Как уже упоминалось, временная характеристика строго зависит от частотных характеристик. И поэтому максимально линейной фазовой характеристике, а также плавно спадающей амплитудной характеристике соответствуют монотонный характер фронта (l < 1 %) и относительно большее время нарастания. В свою очередь максимально гладкой амплитудной характеристике, достаточно быстро спадающей за пределами полосы пропускания, соответствует отклик с небольшими амплитудами выбросов и относительно малым временем нарастания. Спад отклика зависит от нижней граничной частоты усилителя. Чем эта частота меньше, тем меньше спад. В принципе не существует простых зависимостей между частотными и импульсными параметрами усилителя. Однако на практике можно пользоваться зависимостью, которая связывает время нарастания τ_н и верхнюю граничную частоту f_в. Оказывается, что произведение τ_нf_в есть величина постоянная и примерно равная 0,4. Из этой зависимости следует, что время нарастания единичного отклика тем меньше, чем выше верхняя граничная частота усилителя.

Широкополосные резистивные усилители характеризуются такой амплитудной характеристикой в некотором диапазоне частот, которого из-за коэффициента усиления усилителя в ряде применений может оказаться недостаточно. Поэтому имеется необходимость в увеличении площади усиления путем расширения его полосы. Этот метод основан на компенсации падения коэффициента усиления в диапазоне высоких и низких частот с помощью соответственно включенных пассивных цепей. Благодаря этим цепям сопротивление нагрузки усилителя в диапазоне частот, в котором происходит уменьшение усиления, увеличивается, в связи с чем происходит выравнивание усиления.

Схемы компенсации усилителя в диапазоне высоких частот делятся на двух- и четырехполюсниковые схемы компенсации в зависимости от того, являются ли межкаскадные компенсирующие цепочки двух- или четырехполюсниковыми.

Простейшая схема двухполюсниковой компенсации с помощью параллельной индуктивности показана на рис. 7.12.

Рис. 7.(2. Ламповый (а) и транзисторный (б) усилители с двухполюсниковой компенсацией параллельной индуктивностью

Индуктивность подобрана таким образом, что вместе с полной выходной емкостью каскада образует параллельный резонансный контур на частоте, при которой амплитудная характеристика начинает заметно спадать.

В зависимости от добротности резонансного контура получают плоскую или возрастающую (приподнятую) в определенном диапазоне частот амплитудную характеристику. На рис. 7.13 представлено семейство характеристик усилителя со схемой двухполюсниковой компенсации для разных значений добротности Q.

Рис. 7.13. Амплитудные характеристики усилителя с компенсаций параллельной индуктивностью

Можно показать, что максимально плоская амплитудная характеристика получается при Q = 0,414. Произведение коэффициента усиления на ширину полосы пропускания составляет при этом 1,73 значения аналогичного произведения для усилителя без компенсации. Это означает, что при заданном усилении компенсация позволяет на 73 % увеличить ширину полосы пропускания усилителя. Теоретический предел возможности расширения полосы с помощью более сложных схем двухполюсниковой компенсации равно 2. Bpeменные характеристики усилителя с двухполюсниковой компенсацией демонстрируют меньшее время нарастания но начиная с Q = 0,25, появляются выбросы (колебания), возрастающие с увеличением добротности.

Четырехполюсниковая компенсация состоит во включении между выходом данного усилительного каскада и входом последующего соответствующим образом рассчитанного корректирующего четырехполюсника. В схемах этого типа корректирующий четырехполюсник отделяет выходную емкость данного каскада от входной емкости последующего, благодаря чему площадь усиления может быть больше, чем в усилителях с двухполюсниковой коррекцией, поскольку компенсация касается меньших емкостей. Теоретический предел роста произведения GB для четырехполюсниковон компенсации по сравнению с произведением GB усилителя без компенсации составляет 4.

К недостаткам четырехполюсниковой компенсации относятся зависимость частотных и временных характеристик от соотношения входной и выходной емкостей усилителя, а также худшие импульсные свойства в результате того, что предельный фазовый сдвиг больше, чем в усилителях с двухполюсниковой компенсацией.