Анализ частотных свойств усилителей напряжения

Анализ частотных свойств усилителей переменного напряжения с реостатно-емкостными связями, именуемых в дальнейшем усилителями напряжения, заключается в получении выражений, используемых для построения их частотных характеристик: АЧХ иФЧХ. Исходным материалом для такого анализа является эквивалентная схема усилителя по переменному току. Для упрощения вычислений и получения более наглядных формул анализ

проводят отдельно для области средних, верхнихи нижнихчастот.

Область средних частот.В данной области сопротивления емкостей С1 и С2 оказываются значительно большими, чем сопротивления элементов Анализ частотных свойств усилителей напряжения и Анализ частотных свойств усилителей напряжения , и эти емкости из эквивалентной схемы (см. рис. 5.16) можно исключить. Емкость разделительного конденсатора Ср2 выбирается достаточно большой, и в области средних частот его сопротивление переменному току близко к нулю. С учетом этого эквивалентную схему усилителя в области средних частот мож-

Анализ частотных свойств усилителей напряжения

но представить в виде, показанном на рис. 5.17, а. В соответствии с этой схемой коэффициент усиления в области средних частот определяется выражением

Анализ частотных свойств усилителей напряжения

Так как Анализ частотных свойств усилителей напряжения и Анализ частотных свойств усилителей напряжения образуют нагрузку усилителя по переменному току Анализ частотных свойств усилителей напряжения , то эквивалентную схему, изображенную на рис. 5.17, а, можно представить в ином виде (рис. 5.17, б). Из этой схемы следует:

Анализ частотных свойств усилителей напряжения

Анализ частотных свойств усилителей напряжения

Полученные выражения для Кср совпадают с выражениями (5.8) и (5.9).

Таким образом, в области средних частот коэффициент усиления можно считать постоянной вещественной величиной. Вследствие малого влияния емкостей С1, С2 и Анализ частотных свойств усилителей напряжения (см. рис. 5.16) в области средних частот фазовым сдви-

Анализ частотных свойств усилителей напряжения

Анализ частотных свойств усилителей напряжения

гом между входным и выходным напряжениями можно преенебречь, т. е. считать Анализ частотных свойств усилителей напряжения (рис. 5.18).

Область верхних частот.В области верхних частот сопротивления элементов С1 и С2 (см. рис. 5.16) уменьшаются и могут стать сравнимыми с сопротивлениями элементов R’H и Анализ частотных свойств усилителей напряжения . При этом эквивалентная схема усилителя приобретает вид, показанный на рис. 5.19. В этой схеме Анализ частотных свойств усилителей напряжения .

Анализ частотных свойств усилителей напряжения

Коэффициент усиления, полученный на основании данной эквивалентной схемы, определяется выражением

Анализ частотных свойств усилителей напряжения

называется постоянной времени усилителя в области верхних частот.

Выражение (5.17) показывает, что в области верхних частот коэффициент усиления усилителя имеет комплексный характер и может быть представлен в виде

Анализ частотных свойств усилителей напряжения

Модуль выражения (5.17)

Анализ частотных свойств усилителей напряжения

может быть использован для построения АЧХ (рис. 5.20, о), а аргумент

Анализ частотных свойств усилителей напряжения

для построения ФЧХ в области верхних частот (рис. 5.20, б).

Частота Анализ частотных свойств усилителей напряжения , на которой Анализ частотных свойств усилителей напряжения , является верхней граничной частотой усилителя. Ей соответствует частота

Анализ частотных свойств усилителей напряжения

Анализ частотных свойств усилителей напряжения

В резисторных УН на БТ коэффициент усиления в области верхних частот изменяется не только под влиянием емкости С, но и вследствие частотной зависимости крутизны транзистора. С учетом этого для уситителя на БТ

Анализ частотных свойств усилителей напряжения

где Анализ частотных свойств усилителей напряжения ; Анализ частотных свойств усилителей напряжения — предельная частота проводимости прямой передачи, или крутизна, биполярного транзистора.

Область нижних частот.В области нижних частот сопротивления элементов С1, С2 и Ср2 увеличиваются по сравнению с их значениями на средних частотах. При этом в эквивалентной схеме можно пренебречь влиянием емкостей С1 и С2, но следует учесть емкость разделительного конденсатора Ср2 (рис. 5.21). Коэффициент уси ления в области нижних частот в соответствии с экви-

Анализ частотных свойств усилителей напряжения

валентной схемой определяется выражением

Анализ частотных свойств усилителей напряжения

постоянная времени усилителя в области нижних частот. Выражение для Анализ частотных свойств усилителей напряжения легко получается непосредственно из эквивалентной схемы.

Анализ частотных свойств усилителей напряжения

Для построения АЧХ и ФЧХ на основании выражения (5.22) определяют модуль

Анализ частотных свойств усилителей напряжения

коэффициента усиления в области нижних частот. Вид АЧХ и ФЧХ, построенных на основании этих выражений, приведен на рис. 5.22.

Частота Анализ частотных свойств усилителей напряжения , на которой Анализ частотных свойств усилителей напряжения соответствует нижней граничной частоте

Анализ частотных свойств усилителей напряжения

ШИРОКОПОЛОСНЫЕ УСИЛИТЕЛИ

В современной РЭА (телевизионной, измерительной, системах телеуправления, импульсных радиолокаторах и т. д.) широкое применение находят усилители сигналов, спектр частот которых находится в пределах от звуковых до частот в несколько мегагерц, а в некоторых случаях — до десятков и сотен мегагерц. Такие усилители называются широкополосными.

К широкополосным усилителям относятся и усилители видеоимпульсов, или видеоусилители (ВУС), так как частотный спектр видеоимпульсов содержит большое количество гармоник с различными частотами. Схема ВУС такая же, как и усилителя напряжения (см. рис. 5.14), отличается лишь значениями элементов.

Физические процессы в ВУС.Рассмотрим физические процессы, происходящие в видеоусилителе на полевых транзисторах (рис. 5.14, а) при поступлении на его вход прямоугольного импульса, используя графики, приведенные на рис. 5.23.

До момента t1 усилитель находится в режиме покоя, который характеризуется напряжением изи=Uзио, иси=Uсио, иср2= Uсио. В момент t1 напряжение затвора скачком уменьшается, что вызывает увеличение напряжения иси. Паразитная емкость С = Свых + См + Свх.д.сл препятствует скачкообразному увеличению напряжения иси, напряжение иси увеличивается по экспоненциальному закону:

Анализ частотных свойств усилителей напряжения (5.26)

Анализ частотных свойств усилителей напряжения

Рис. 5.28 Графики изменений напряжений d ВУС при усилении отрицательного прямоугольного импульса.

по мере зарядки паразитной емкости С по цепи +Ес RсCCи –Ес с постоянной времени ?в, определяемой выражением (5.18).

Одновременно с зарядкой емкости С начинается зарядка разделительного конденсатора Ср2 по цепи +Ес Rс Ср2Rз.сл –Ес с постоянной времени ?н определяемой выражением (5.23). Напряжение на конденсаторе Ср2 будет изменяться по закону

Анализ частотных свойств усилителей напряжения (5.27)

Так как ?н » ?в, то зарядка Ср2 будет продолжаться и после того, как емкость С полностью зарядится до значения

Анализ частотных свойств усилителей напряжения

В интервале времени t1…t2 происходит формирование фронта выходного импульса. При этом, как видно из схемы, ивых.ф=иСИ – иСр2. Можно считать, что за это время напряжение на конденсаторе Ср2 не изменилось и осталось равным UСИО.Следовательно, формирование фронта выходного импульса с учетом выражения (5.26) будет происходить по закону

Анализ частотных свойств усилителей напряжения (5.28)

В интервале времени t2…t3 формируется вершина выходного импульса. Так как при этом иСИ = UСиmax = UСИО + UmСИ с учетом выражения (5.27) выходное напряжение изменяется по закону

Анализ частотных свойств усилителей напряжения (5.29)

С момента времени t3 рабочая точка возвращается в положение, характеризующее режим покоя. Ток стока увеличивается, а напряжение иСИуменьшается по мере разрядки емкости С через транзистор и резистор Rз.сл. Выходное напряжение убывает до нуля при установлении равенства ис = иСр2.После этого начинает разряжаться конденсатор Ср2, ток разрядки которого протекает через резистор Rз.слв направлении, противоположном направлению тока зарядки, образуя в выходном напряжении отрицательный выброс.

В ВУС на БТ (рис. 5.14, б) процессы при усилении видеоимпульсов протекают аналогично, однако искажения формы усиливаемых прямоугольных импульсов вызываются не только зярядкой и разрядкой емкостей С и Ср2, но и физическими процессами, происходящими в самом транзисторе.

Параметры, используемые для оценки искажений в ВУС.Из рис. 5.24 видно, что отличия выходного импульса от прямоугольного проявляются в меньшей крутизне фронта, спаде, или завале, вершины и появлении отрицательного выброса. Амплитуда отрицательного выброса пропорциональна спаду вершины ?Uвых, поэтому для оценки искажений выходного импульса чаще всего применяются Анализ частотных свойств усилителей напряжения

Рис. 5.24. Форма выходного импульса напряжения видеоусилителя

два параметра: время установления, или длительность фронта, и относительный спад вершины.

Временем установления ty называют время, в течение которого выходное напряжение усилителя изменяется от 0,1 до 0,9 значения напряжения в установившемся режиме UmСИ или в соответствии с рис. 5.24, ty = t0,9 – t0,1 . Так как при формировании фронта выходное напряжение изменяется по закону (5.28), то на основании этого можно записать:

Анализ частотных свойств усилителей напряжения

Решая эти уравнения относительно t0,1 и t0,9, получаем

ty = t0,9 – t0,1 = ?вln9 ? 2,2?в (5.30)

В ВУС на БТ время установления определяется выражением

ty = 2,2 ?в’

где ?в’ = ?в + ?y21.

Таким образом, для уменьшения длительности фронта, или увеличения скорости нарастания выходного напряжения, необходимо уменьшать постоянную времени усилителя в области верхних частот, что равносильно увеличению верхней граничной частоты полосы пропускания.

Относительный спад вершины выходного импульса ? определяется как отношение изменения напряжения на выходе усилителя ?Uвыхза время действия входного импульса tик значению напряжения в установившемся режиме UmСИ, т. е.

? = ?Uвых/ UmСИ.

Изменение напряжения на выходе за время tи равное длительности входного импульса, можно определить на основании уравнения (5.29):

Анализ частотных свойств усилителей напряжения

Тогда

Анализ частотных свойств усилителей напряжения (5.31)

Выражение (5.31) показывает, что для уменьшения ? необходимо увеличивать ?н по сравнению с tн, т. е. необходимо выполнять условие ?н » tн. Тогда, раскладывая Анализ частотных свойств усилителей напряжения в ряд Тэйлора и ограничиваясь первыми двумя членами, получаем

? ? tи?и = 2??нtн (5.32)

Из выражения (5.32) следует, что для уменьшения спада вершины выходного импульса необходимо уменьшить нижнюю граничную частоту полосы пропускания усилителя, т. е., как это вытекает из формул (5.23) и (5.25), увеличивать емкость разделительного конденсатора.

КОРРЕКЦИЯ АЧХ УСИЛИТЕЛЕЙ

ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Для увеличения верхней граничной частоты, как это видно из выражения (5.21), необходимо уменьшать значения С и R. Однако возможности для уменьшения емкости С ограниченные, а уменьшение эквивалентного сопротивления R сопровождается, как это видно из (5.15), снижением коэффициента усиления.

Эффективность каскада резисторного усилителя принято оценивать его добротностью, или площадью усиления, которая определяется следующим образом:

Анализ частотных свойств усилителей напряжения (5,33)

Выражение (5.33) показывает, что произведение верхней граничной частоты на коэффициент усиления усилителя в области средних частот есть величина постоянная. Следовательно, в рассмотренных усилителях переменного напряжения увеличение fB неизбежно сопровождается уменьшением Кср.

Для увеличения fB при неизменном значении Кср необходимо увеличивать площадь усиления усилителя, т. е. площадь, заключенную под АЧХ в полосе пропускания. Это достигается применением активного элемента с большей крутизной или введением в усилитель элементов, осуществляющих подъем АЧХ в области верхних частот, иначе говоря, высокочастотной коррекцией АЧХ. Элементы, которые ее обеспечивают, называются элементами высокочастотной коррекции.

Высокочастотная индуктивная коррекция.Наиболее распространенным видом высокочастотной коррекции является включение в цепь стока или коллектора транзистора дросселя с индуктивностью L (рис. 5.25, а). Эквивалентная схема усилителя для области верхних частот приведена на рис. 5.25, б. Согласно этой схеме, индуктивность L с емкостью С и сопротивлением Rс образуют параллельный колебательный контур.

Анализ частотных свойств усилителей напряжения Анализ частотных свойств усилителей напряжения

Рис. 5.25. Принципиальная (а) и эквивалентная (б) схемы усилителя с индуктивной высокочастотной коррекцией

На резонансной частоте эквивалентное сопротивление контура Rэкв будет больше, чем сопротивление резистора Rc,вследствие чего увеличивается сопротивление нагрузки по переменному току икоэффициент усиления. Если резонансную частоту контура выбрать в области верхних частот, то из-за увеличения коэффициента усиления произойдет подъем АЧХ в этой области частот (кривая б на рис. 5.26) и увеличение fв до значения fв.кор.

Анализ частотных свойств усилителей напряжения

Рис. 5.26. Вид АЧХ усилителя с коррекцией в области верхних частот

При оптимальной высокочастотной индуктивной коррекции увеличение ние fв до значения fв.кор по сравнению с fв может достигнуть 1,7 раза.

Высокочастотная эмиттерная коррекция.В усилителях на БТ вследствие малого сопротивления Rн добротность параллельного колебательного контура оказывается низкой и увеличение fвза счет индуктивной коррекции незначительное. Более эффективной в усилителях на БТ является высокочастотная эмиттерная коррекция, образованная элементами Rкор и Скор (рис. 5.27, а). Для пояснения принципа действия такой коррекции рассмотрим следующие случаи.

Анализ частотных свойств усилителей напряжения

Рис. 5.27. Схема усилителя с высокочастотной эмиттерной коррекцией (а)

и его АЧХ (б)

Если Скор = ?, то в усилителе на всех частотах ООС по переменному току отсутствует и АЧХ усилителя отображается кривой 1 на рис. 5.27, б. При Скор = 0 (т. е. когда конденсатор Скор отсутствует) на резисторе Rкор создается последовательная ООС по переменному току, что приводит к уменьшению коэффициента усиления и некоторому увеличению fв до значения fв.ooc (кривая 2). Для осуществления высокочастотной коррекции емкость конденсатора Скор выбирают такой, что на нижних и средних частотах ООС сохраняется, а на верхних уменьшается. Это приводит к увеличению коэффициента усиления в области верхних частот (кривая 3)и увеличению fв до значения

fв.кор.

Низкочастотная коррекция.Для уменьшения спада вершины выходиого импульса, как было отмечено, необходимо уменьшать нижнюю граничную частоту усилителя. Это достигается с помощью низкочастотной коррекции АЧХ, которая заключается в увеличении коэффициента усиления в области нижних частот. Часто низкочастотная коррекция осуществляется с помощью RС-фильтра, включаемого в цепь стока или коллектора (элементы Rф и Сф на рис. 5.28).

Анализ частотных свойств усилителей напряжения

Рис. 5.28. Схемы усилителей на полевом (а) и биполярном (б) транзисторах

с низкочастотной коррекцией АЧХ

Емкость конденсатора Сф выбирают таким образом, чтобы он оказывал малое сопротивление переменному току на средних и верхних частотах. В таком случае на нижних частотах сопротивление цепи выходного электрода переменному току будет определяться выражением

Анализ частотных свойств усилителей напряжения (5.34)

и усилительный каскад можно представить в виде эквивалентной схемы, показанной на рис. 5.29, а.

Как видно из выражения (5.34), уменьшение частоты приводит к увеличению нагрузки по переменному току, что сопровождается увеличением коэффициента усиления и подъемом АЧХ в области нижних частот. Частота fн при этом уменьшается до значения fн.кор (рис. 5.29, б).

Анализ частотных свойств усилителей напряжения

Рис. 5.29. Эквивалентная схема (а) и АЧХ (б) усилителя:

1 —без коррекции; 2—с низкочастотной коррекцией

Кроме осуществления низкочастотной коррекции, RС-фильтр выполняет и роль развязывающего фильтра, уменьшающего связь между каскадами но переменному току через общий источник питания.

ПОВТОРИТЕЛИ НАПРЯЖЕНИЯ

Повторителями напряжения называют электронные усилители, у которых коэффициент усиления (передачи) близок к единице, а полярность, или фаза, выходного напряжения совпадает с полярностью, или фазой, входного напряжения.

В зависимости от типа используемого активного элемента различают потоковые (рис. 5.30, а) и эмиттерные (рис. 5.30, б) повторители напряжения. Выходные напряжения и’вых, создаваемые на резисторах Rн’,полностью подаются во входную цепь в противофазе с входным напряжением.

Таким образом, в повторителях напряжения действует 100 % — ая последовательность ООС по напряжению и коэффициент усиления напряжения можно определить по формуле (4.5), положив ? = 1. При этом коэффициент усиления (передачи) повторителя в области средних частот оказывается меньше

Анализ частотных свойств усилителей напряжения (5.35)

Анализ частотных свойств усилителей напряжения

Рис. 5.30. Схемы потокового (а) и эмиттерного (б) повторителей напряжения

единицы, а в области верхних частот, с учетом выражения (5.17), определяется формулой

Анализ частотных свойств усилителей напряжения

где

Анализ частотных свойств усилителей напряжения (5.36)

представляет собой постоянную времени повторителя напряжения в области верхних частот.

Так как fп.в. = 1 /(2??п.в.), то с учетом выражений (5.21) и (5.15) имеем

Анализ частотных свойств усилителей напряжения (5.37)

Выражение (5.37) показывает, что у повторителя напряжения верхняя граничная частота полосы пропускания в (1 + SR) раз больше, чем у усилителя без ООС с такими же значениями элементов эквивалентной схемы.

У эмиттерных повторителей fэп.в ограничивается частотными свойствами БТ и не превышает значения 0,3 fгр.

В области нижних частот

Анализ частотных свойств усилителей напряжения ,

где ?п.н — постоянная времени повторителя напряжения в области нижних частот, которая определяется выражением

Анализ частотных свойств усилителей напряжения ,

где Анализ частотных свойств усилителей напряжения .

НЕБЫЛО 2-Х СТРАНИЦ!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

(рис. 5.33, б). Модуль коэффициента усиления такого усилителя определяется выражением

Анализ частотных свойств усилителей напряжения .

Он снижается при уменьшении добротности Q контура. При уменьшении добротности контура увеличивается полоса пропускааия ?F усилителя, т. е. снижается его избирательность. С целью увеличения добротности контура часто используется не полное, а частичное включение контура в коллекторную цепь (рис. 5.34, а).

Анализ частотных свойств усилителей напряжения

Рис. 5.34. Схемы узкополосных избирательных усилителей

При работе усилителя на низкоомную нагрузку для уменьшения шунтирования контура малым сопротивлением нагрузки выходное напряжение снимают с части контура (через конденсатор Ср2 на рис. 5.34, а) или с дополнительной обмотки L2, индуктивно связанной с основной L1 (рис. 5.34, б).

Экспериментальные исследования показывают, что наибольшую добротность контура (от 50 до 200, а с применением ферритовых сердечников и до 500) легче всего обеспечить в диапазоне частот от 50 кГц до 5 МГц. На частотах менее 50 кГц добротность контура уменьшается вследствие роста активного сопротивления катушки, которое повышается с увеличением числа витков, а на частотах более 5 МГц — вследствие возрастания потерь в конденсаторе и в паразитной емкости катушки.

На частотах менее 50 кГц лучшими избирательными свойствами обладают усилители, содержащие частотный RС-фильтр в цепи ОС. В качестве частотного RС-фильтра наибольшее распространение получил двойной Т-образный мост, схема и передаточная характеристика которого показаны иа рис. 1.24. На частоте f0 = 1/(2?RС), которая называется частотой квазирезонанса, коэффициент передачи двойного Т-образного моста (? = иос/ивых оказывается равным нулю. Поэтому при включении его в цепь ООС усилителя (рис. 5.35) на квазирезонансной частоте

Анализ частотных свойств усилителей напряжения

Рис. 5.35. Схема избирательного усилителя с двойным Т-образным мостом

f0 напряжение uос равно нулю, а коэффициент усиления имеет максимальное значение. При частотах, отличающихся от f0, в усилителе появляется напряжение ООС иос,что приводит к уменьшению коэффициента усиления. Поэтому АЧХ избирательного усилителя с двойным Т-образным мостом подобна АЧХ резонансного усилителя.

Случайные записи:

Классификация усилителей низкой частоты


Похожие статьи:

Добавьте постоянную ссылку в закладки. Вы можете следить за комментариями через RSS-ленту этой статьи.
Комментарии и трекбеки сейчас закрыты.