Лекция 21. Импульсные и широкополосные усилители (Занятие 2.1.8).

Вопросы:

1. Общие сведения и принципы построения импульсных усилителей.

2. Анализ импульсного усилителя в области малых времен

3. Анализ импульсного усилителя в области больших времен.

х

Вопрос 1. Общие сведения и принципы построения импульсных усилителей.

 

Импульсные и широкополосные усилители предназначены для усиления импульсных сигналов. Импульсные сигналы подразделяются на радиоимпульсы, используемые в радиолакационных станциях, и видиоимпульсы, применяемые в видеоаппарутуре. Основной характеристикой импульсных усилителей является переходная характеристика рис.1.1.

 

    Переходная характеристика – это зависимость мгновенного значения выходного напряжения от времени при подаче на вход единичного импульса

U _вх =

К импульсным усилителям предъявляются жесткие требования по искажению усиливаемого сигнала. Искажения усиленного сигнала в импульсных усилителях определяются количественными показателями переходной характеристики, а именно, временем установления t _у и спадом плоской вершины Δ _сп. Передний фронт импульса формируется высокочастотными составляющими. Чем больше верхняя граничная частота f _в, тем меньше искажение переднего фронта t _у. Чем меньше нижняя граничная частота f _м, тем меньше искажение усиленного сигнала в области плоской вершины импульса Δ _сп. Следовательно, для безискаженного усиления сигналов импульсные усилители должны иметь широкую полосу пропускания от единиц Герц до десятков МГц. Поэтому видеоусилители являются широкополосными.

Рисунок 1.1 - Переходная характеристика импульсных усилителей.

 

В широкополосных усилителях применяются резисторные каскады с дополнительными цепями коррекции, построенные на специальных высокочастотных транзисторах с большой площадью усиления.

Площадью усиления называют произведение коэффициента усиления на средних частотах К₀  на верхнюю граничную частоту

Площадь усиления опре­деляется параметрами S и C _о, которые задаются в справочниках.

В каскадах на биполярных транзисторах площадь усиления  из-за внутренней обратной связи не остается постоянной, поэтому при выборе биполярного транзистора лучше руководствоваться предельной частотой f_{h 21б} или f_{h 21Э}.

Как известно, резистивные схемы усилителей могут обеспечить широкую полосу пропускания с равномерной частотной характеристикой. Надо иметь в виду, что верхняя граничная частота зависит от выбора сопротивления нагрузки .В целях увеличения верхней граничной частоты в импульсных усили­телях сопротивление нагрузки выбирают небольшим:

Естественно, при этом коэффициент усиления импульсных усилителей получается также небольшим. Поэтому импульсные усилители состоят, как правило, из нескольких каскадов.

Принципиальная схема одного каскада импульсного усилителя без элементов коррекции по внешнему виду ничем не отличается от схемы резистивного усилителя низкой частоты, рис.1.2.

 

Рисунок 1.2 - Импульсный усилитель.

Вопрос 2. Анализ импульсного усилителя в области малых времен

 

Если при анализе предварительных усилителей низкой частоты нас интересовали частотные характеристики и частотные искажения, то в импульсных усилителях основной характеристикой является переходная характеристика и ее количественные показатели. Поэтому для анализа импульсных усилителей применяется временной метод. При этом в целях упрощения анализа рассматривают отдельно переходную характеристику в области малых времен и в области больших времен.

Область малых времен - это область больших частот, так как . Следовательно, для анализа переходной характеристики в области малых времен необходимо рассматривать эквивалентную схе­му усилителя в области высоких частот, рис.2.1., где E=SU_вхR_н

Рисунок 2.1 - Эквивалентная схема усилителя в области ВЧ.

 

Изменение  после подачи на вход скачка напряжения определяется процессом заряда емкости C ₀. Разделительная емкость С1 имеет большой номинал и заряжается значительно медленнее. Следовательно, за время уста­новления t _у разделительная емкость С1 почти не успевает заря­диться и напряжение на ней близко к нулю. Поэтому влиянием С1 можно пренебречь и заменить коротким замыканием. Влиянием  и R 1 можно пренебречь, так как в импульсных усилителях выполняются условия .

При подаче на вход единичного импульса (U вх=1) выходное напряжение на емкости будет изменяться по экспоненте:

С учетом того, что SR _н = K ₀, нормированная переходная характеристика равна

                (2.1)

Согласно выражению (2.1) можно построить график переходной характеристики в области малых времен (рис.2.2).

Основным количественным параметром импульсного усилителя в области малых времен является время установления, в течение кото­рого  возрастает от уровня 0,1 до 0,9. Определим время установления:                      

            (2.2)

Из выражения (2.2) видно, что время установления определяется элементами C ₀ и . Для уменьшения времени установления необ­ходимо понизить номинал паразитной емкости и сопротивления нагрузки. В последнем случае уменьшается коэффициент усиления.

 

 

Рисунок 2.2 - График переходной характеристики в области малых времен.

Время установления зависит от верхней граничной частоты:

Время установления многокаскадного усилителя определяется выражением:

Если известны количество каскадов и общее время установления, то легко определить время установления одного каскада

Вопрос 3. Анализ импульсного усилителя в области больших времен

 

Область больших времен - эта область низких частот. Низкими частотами формируется плоская вершина импульса. В области больших времен влиянием C _о можно пренебречь, так как C _о зарядится мгновенно (за время ) и за время длительности импульса τ _и  не будет оказывать своего влияния. Поэтому эквивалентная схема импульсного усилителя в области больших времен имеет вид, рис.3.1.

Рисунок 3.1 - Эквивалентная схема ИУ в области больших времен.

 

Емкость С1 имеет большой номинал, поэтому заряжается медленно. По мере заряда С1 напряжение U _С1 возрастает, вследствие чего уменьшается . Таким образом, за счет процесса заряда емкости С1 происходит спад плоской вершины импульса на выходе усилителя.

Рассмотрим количественный анализ переходной характеристики в области больших времен. Считаем, что на вход усилителя поступает единичный импульс. В момент времени:

1. t =0; X _С1 =0; U _С1 =0 выходное напряжение определяется:

, где R = R _э R 1/ (R _э + R 1)

2. t > 0; где

По условию анализа U _вх =1, следовательно, переходная характеристика в облости больших времен определяется выражением:

Нормированная переходная характеристика в области больших времен при подаче на вход единичного импульса U_вх =1;

                                  (3.1)

Согласно выражению (3.1) можно построить график переходной характеристики в области больших времен, рис.3.2

За счет влияния  переходная характеристика имеет спад плоской вершины: абсолютный спад Δ _сп = h (0)- h (t _и), относительный спад:

 

Рисунок 3.2 - График переходной характеристики ИУ в области больших времен

 

Применив разложение в ряд Маклорена (так как ) и ограничиваясь первыми двумя членами ряда, получим:

                      (3.1)

Из выражения (3.1) видно, что для улучшения переходной характеристики в области больших времен , т.е. для уменьшения , необходимо увеличить t _н, т.е. увеличить номинал С1.

В многокаскадных усилителях общий спад равен

Следовательно, спад плоской вершины одного каскада можно определить выражением ₁ = _общ /n, где n-количество каскадов.