Материал: Схемотехника аналоговых электронных устройств. Воробьева Е.И

Расход энергии на питание маломощного широкополосного каскада с биполярным транзистором обычно несколько меньше, чем в каскаде с полевым транзистором. Поэтому по усилению и расходу энергии питания, наилучшими усилительными элементами для широкополосного усиления являются биполярные транзисторы. Однако большой разброс значений h_21э и f_т у различных экземпляров заставляет при их применении использовать меры, стабилизирующие коэффициент усиления каскада и его частотную или переходную характеристику.

Для широкополосного усиления обычно используют резисторные каскады, так как они имеют наилучшую частотную и переходную характеристики; для расширения усиливаемой каскадом полосы частот и изменения формы частотной и переходной характеристик в широкополосных каскадах используют дополнительные цепи, называемые корректирующими цепями или цепями коррекции.

Цепи, изменяющие частотную характеристику в области нижних частот и переходную характеристику в области больших времен, называют цепями низкочастотной коррекции, а цепи, изменяющие частотную характеристику на верхних частотах и переходную характеристику в области малых времен, — цепями высокочастотной коррекции.

Применение цепей высокочастотной коррекции позволяет снизить частотные искажения в области верхних частот без потери усиления на средних частотах или при неизменном значении Y_в получить большее значение К_ср, иначе говоря, повысить площадь усиления. Применение коррекции в области нижних частот позволяет уменьшить частотные искажения при неизменной емкости разделительных и блокировочных конденсаторов, либо при том же Y_н взять конденсаторы меньшей емкости.

Коррекцию применяют и тогда, когда необходимо получить частотную характеристику усилителя или отдельных каскадов специальной формы, например с подъемом, чтобы скомпенсировать снижение усиления в других звеньях тракта передачи или других каскадах.

Корректирующие цепи корректируют не только частотную, но также фазовую и переходную характеристики каскада; расчет компонентов корректирующей цепи производится различно в зависимости от того, какую характеристику нужно корректировать.

3.3.2. Схемы коррекции без обратной связи. Низкочастотная коррекция

Простой схемой низкочастотной коррекции является включение цепочки С_фК_ф в выходную цепь усилительного элемента (рис. (3.3.1)а). Такая схема коррекции удобна тем, что цепочка C_фR_ф

Рис. 3.3.1. Низкочастотная коррекция цепочкой C_фR_ф: а — принципиальная схема каскада; б —.его эквивалентная схема для нижних частот

одновременно действует как развязывающий фильтр, защищающий каскад от паразитной обратной связи через общий источник питания, а также как фильтр, сглаживающий пульсации напряжения питания.

Низкочастотная коррекция цепочкой C_фR_ф не требует добавления в каскад дополнительных деталей, увеличивающих стоимость схемы и снижающих ее надежность и усиление.

Рассмотрим принцип действия такой схемы коррекции с помощью эквивалентной схемы, изображенной на рис. (3.3.1)б. Емкость конденсатора С_ф берут такой, чтобы на средних, а тем более верхних частотах сопротивление его было ничтожно по сравнению сопротивлением нагрузки выходной цепи усилительного элемента, величина которого и определяет усиление каскада на этих частотах. При понижении частоты сигнала сопротивление цепочки C_фR_ф, а следовательно, и сопротивление нагрузки выходной цепи усилительного элемента, а с ним и напряжение сигнала

Рис. 3.3.2. Коррекция частотной характеристики усилительного каскада в области низких частот: а – частотная характеристика цепочки CR_н; б – характеристика каскада до цепочки CR_н; в – результирующая частотная характеристика

Сплошные линии – критическое значение С_ф; пунктирные -значение С_ф; меньше критического будут увеличиваться, в результате чего коэффициент усиления каскада в области низших частот возрастет. Таким образом, будет компенсировано снижение усиления на низших частотах из-за влияния конденсатора межкаскадной связи С и блокировочные конденсаторов цепей стабилизации и смещения. На рис. 3.3.2 показано такое корректирование частотной характеристики усилительного каскада в области низких частот; из рис. видно, что при необ-ходимости можно получить частотную характеристику с подъемом в области низких частот.

При правильном выборе R_ф и C_ф схема низкочастотной коррекции позволяет уменьшить нижнюю рабочую частоту резисторного каскада в 5—10 раз, а иногда и более и сильно снизить или совсем уст-ранить спад импульсных сигналов при неизменных (прежних) значениях емкостей разделительных и блокировочных конденсаторов каскада. Такая схема коррекции особенно хорошо действует при усилительных элементах с высоким выходным и входным сопротивлениями, например в резисторных каскадах предварительного усиления с полевыми транзисторами, т. е. при R_г>>R<<R_н, где R_г — выходное сопротивление усилительного элемента переменному току; при биполярных транзисторах она наиболее эффективна при работе каскада на высокоомную нагрузку R_н, например на модулятор кинескопа, отклоняющие пластины осциллографической трубки, входную цепь каскада с полевым транзистором. В каскадах с трансформаторной межкаскадной связью, а также в повторителях рассматриваемая схема не корректирует характеристику, а вносит дополнительные частотные и переходные искажения. Даваемое этой схемой расширение полосы частот или уменьшение емкости конденсаторов тем больше, чем меньше коэффициент низкочастотной коррекции b=R/R_ф, т. е. чем больше R_ф по сравнению с R; вид частотной и переходной характеристик каскада с такой коррекцией в основном определяется отношением постоянных времен корректирующей цепи и цепи нагрузки m = C_фR/CR_н.

На рис. 3.3.3а изображено семейство нормированных частотных характеристик — зависимость относительного усиления Y от нормированной частоты Х=6,28/ CR_н в области низших частот, а на рис. 3.3.3б — семейство, переходных нормированных характеристик — зависимость Y от нормированного времени x=t/CR_н в области больших времен для каскада с рассматриваемой коррекцией. Оба семейства приведены для значения b=0,5 при различных значениях т.

Рис. 3.3.3

При схема имеет наилучшую частотную характеристику (характеристику с наиболее широкой полосой усиливаемых частот, но без подъема) - на рис. 3.3.3 а это соответствует кривой при m = l,4; a при m = 1 начало переходной характеристики для больших времен параллельно горизонтальной оси (кривая для т=1 на рис. 3.3.3б). Если уменьшить емкость конденсатора С_ф по сравнению с критической, соответствующей указанным выше значениям т, на частотной и переходной характеристиках каскада появятся подъемы. Как видно из рис. 3.3.3, подъем с уменьшением С_ф, а следовательно, и с уменьшением т возрастает.

По этим семействам рассчитывают элементы схемы каскадов усиления гармонических и импульсных сигналов с низкочастотной коррекцией при любом заданном виде частотной или переходной характеристики. По этим же семействам можно рассчитывать коррекцию такого типа и для каскадов, в которых вышеприведенное неравенство не соблюдается (например, для каскадов, работающих на низкоомную входную цепь биполярного транзистора с общим эмиттером), используя методы, описанные в специальной литературе.

Высокочастотная коррекция

Одной из наиболее простых схем высокочастотной коррекции для широкополосных резисторных каскадов, позволяющей расширить полосу пропускания каскада или получать подъем частотной характеристики в области верхних частот, является схема параллельной высокочастотной коррекции индуктивностью. На рис. 3.3.4 приведены схемы транзисторного каскада с такой коррекцией; она осуществляется введением индуктивности L последовательно с резистором нагрузки R выходной цепи усилительного элемента. Как видно из эквивалентной схемы каскада для верхних частот (рис. 3.3.4б), корректирующая индуктивность L образует параллельный резонансный контур с емкостью С₀, нагружающей каскад.

В результате полное сопротивление нагрузки выходной цепи усилительного элемента в области верхних частот возрастает, а следовательно, расширяется полоса пропускания каскада и улучшается его частотная характеристика, а также уменьшается время установления импульсных сигналов.

Индуктивность L здесь берут настолько малой, что ее влияние сказывается только в области верхних частот. На нижних и средних частотах рассматриваемая схема обладает такими же свойствами, как обычный резисторный каскад.

Рис. 3.3.4. Параллельная высокочастотная коррекция индуктивностью: а — в транзисторном каскаде; б —эквивалентная схема для верхних частот каскада с параллельной коррекцией индуктивностью при R_г>>R<<R_н

Параллельная коррекция индуктивностью хорошо действует только при R_г>>R<<R_н; эти условия обеспечиваются в резисторных каскадах с транзисторами, работающими на высокоомную нагрузку, например на модулятор кинескопа, отклоняющие пластины электронно-лучевой трубки или вход полевого транзистора. Она не действует в повторителях из-за малого выходного сопротивления, а также в каскадах с низкоомной внешней нагрузкой. Параллельная высокочастотная коррекция индуктивностью несложна по схеме, занимает мало места, дешева, легко настраивается, надежна в работе и увеличивает площадь усиления каскада более чем в 1,7 раза; вследствие указанных достоинств она широко используется в усилителях с дискретными компонентами. Для интегральных схем такая коррекция непригодна, так как индуктивность L нужного значения нельзя сделать микроскопических размеров.

Частотная и переходная характеристики каскада с параллельной коррекцией индуктивностью определяются значениями коэффициента высокочастотной коррекции На рис. 3.3.5а изображено семейство нормированных частотных характеристик этой схемы коррекции, представляющих собой зависимость относительного усиления Y, в области верхних частот от нормированной частоты X=6,28/C0R для различных значений а. Из рис. видно, что наилучшая частотная характеристика без подъема здесь имеет место при критическом значении коэффициента коррекции. При a>0,414 частотная характеристика каскада получается с подъемом в области верхних частот и величина подъема растет с увеличением а. На рис. 3.3.5б приведено семейство нормированных переходных характеристик для области малых времен этой схемы — зависимость относительной величины мгновенного выходного напряжения у от нормированного времени x=t/C0R для различных значений а. Из рис. 3.3.5б следует, что при а < 0,25 переходная характеристика каскада с такой коррекцией апериодична и выброса не имеет. При а>0,25 переходная характеристика приобретает колебательный характер и на ней появляется выброс, растущий с увеличением а, но время установления каскада при увеличении а уменьшается. Поэтому при расчете каскадов усиления импульсных сигналов с параллельной коррекцией индуктивностью значение а следует брать наибольшим исходя из допустимой величины выброса, так как при этом время установления каскада будет наименьшим. С физической точки зрения введение корректирующей индуктивности уменьшает время установления каскада потому, что в момент появления скачка тока в выходной цепи индуктивность препятствует ответвлению тока в резистор R, направляя весь скачок тока в емкость С₀, вследствие чего последняя заряжается быстрее. Чем больше величина корректирующей индуктивности, тем дольше она препятствует ответвлению тока в R и тем больше уменьшается время установления каскада.

Рис. 3.3.5. Параллельная высокочастотная коррекция индуктивностью: а — семейство нормированных частотных характеристик; б — семейство нормированных переходных характеристик; в — зависимость F_m„, x_y и б от а

На рис. 3.3.5в приведены зависимости нормированного времени установления х_у, максимального подъема частотной характеристики у_max и выброса от коэффициента коррекции а для резисторного каскада с параллельной высокочастотной коррекцией индуктивностью. Из рис. видно, что наименьшее нормированное время установления в отсутствие выброса (а=0,25) равно 1,55, т. е. почти в 1,5 раза меньше, чем для каскада без коррекции.

При расчете многокаскадных усилителей импульсных сигналов большое значение имеет так называемый критический выброс Критическим называют такой выброс, при котором многокаскадный усилитель, собранный из одинаковых каскадов, имеет выброс, равный выбросу одного каскада, т. е. выброс, не изменяющийся при изменении числа каскадов усилителя. Величина критического выброса зависит от схемы коррекции и для некоторых схем не является постоянной, изменяясь с изменением соотношений величин в схеме. Для параллельной коррекции индуктивностью критический выброс постоянен, равен примерно 1% и соответствует значению а=0,35 и нормированному времени установления =1,31, что почти в 1,7 раза меньше, чем для резисторного каскада без коррекции.

Компоненты схем каскадов усиления гармонических и импульсных сигналов с параллельной коррекцией индуктивностью для требуемого вида частотной или переходной характеристики рас-считывают по семействам нормированных частотных и переходных характеристик, приведенных на рис. 3.3.5. Сопротивление резистора R в выходной цепи широкополосного каскада здесь находят исходя из верхней рабочей частоты или времени установления каскада.

Корректирующую индуктивность можно включать не последовательно с R, а последовательно с внешней нагрузкой или входной цепью следующего усилительного элемента; в этом случае получим схему последовательной высокочастотной коррекции индуктивностью. Но эта схема не имеет преимуществ по сравнению с рассмотренной ранее схемой параллельной коррекции индуктивностью; кроме того, она имеет менее стабильные в эксплуатационных условиях характеристики и в каскадах широкополосного усиления используется редко.

Рис. 3.3.6. Параллельно-последовательная (сложная) высокочастотная коррекция индуктивностью

Когда выигрыш в усилении, даваемый параллельной коррекцией индуктивностью, оказывается недостаточным и каскад дает слишком малое усиление или усилительный элемент для каскада приходится брать слишком мощный, применяют более сложные схемы коррекции. Наиболее распространенной из них является схема параллельно-последовательной высокочастотной коррекции индуктивностью или, как ее часто называют, схема сложной высокочастотной коррекции. На рис. 3.3.6 приведен основной вариант схемы транзисторного каскада со сложной коррекцией. Эта схема содержит две корректирующие индуктивности L, L₁ и дополнительный резистор R₁ индуктивность L₁ делит нагружающую каскад емкость С₀ на и образующие с индуктивностями L₁ и L резонансную систему. Вид частотной и переходной характеристик схемы рис. 3.3.6 может быть весьма разнообразным. Сложная коррекция дает наибольший эффект только при определенном соотношении С₁ и С₂, наилучшая частотная характеристика для схемы рис. 3.3.6 получается при n=C₁/(C₁ + C₂) =C₁/C₀ = 0,6. Коэффициент усиления каскада или его полоса пропускания на уровне Y_в = 0,707 при сложной коррекции и значении п от 0,25 до 0,6 в 1,3—1,5 раза больше, чем при параллельной коррекции; при n<0,25 применять сложную коррекцию нецелесообразно из-за незначительности даваемого ею выигрыша.