Простая индуктивная высокочастотная коррекция

2. Эмиттерная высокочастотная коррекция.

3. Низкочастотная коррекция.

 

Корректирующие цепи в импульсных и широкополосных усилителях служат для улучшения частотных и переходных характеристик. Различают корректирующие цепи в области высоких частот и в области нижних частот. Корректирующие цепи в области высоких частот предназначены для увеличения верхней граничной частоты и уменьшения времени установления. Корректирующие цепи в области нижних частот служат для уменьшения нижней граничной частоты и спада плоской вершины.

 

Вопрос 1. Простая индуктивная высокочастотная коррекция

 

Рассмотрим принципиальную схему усилителя с индуктивной высокочастотной коррекцией, приведенную на рис.1.1.

 

Рисунок 1.1 - Схема индуктивной высокочастотной коррекции.

 

Корректирующим элементом является индуктивность L, включен­ная последовательно с сопротивлением нагрузки . Индуктивность L выбирается настолько малой, что ее влиянием в области низких и средних частот можно пренебречь. На высоких частотах индуктивное сопротивление X_L = jωL возрастает, вследствие чего увеличивается выходное напряжение и коэффициент усиления. Построим эквивалентную схему усилителя с индуктивной коррекцией в области высоких частот, рис.1.2.

При построении эквивалентной схемы влиянием  и R 1 можно пренебречь, поскольку в импульсных усилителях выполняются условия:  и . Индуктивность L входит в выходную цепь парал­лельно емкости С₀, в результате чего проводимость jωC 0 частично компенсируется проводимостью этой индуктивной ветви. Принцип коррекции амплитудно-частотной характеристики при индуктивной коррекции можно объяснить следующим образом.

Рисунок 1.2 - Эквивалентная схема с ВЧ коррекцией.

 

Рисунок 1.3 - Характеристики при индуктивной коррекции:

а-частотная, б-переходная.

 

Корректирующая индуктивность L, вводимая последовательно с резистором , образует в эквивалентной схеме каскада для вер­хних частот параллельный резонансный контур с емкостью C ₀. На резонансной частоте  сопротивление контура увеличивается, за счет чего происходит подъем частотной характеристики в облас­ти верхних частот, рис.1.3,а. Причем подъем частотной характеристики зависит от добротности контура, при большой добротности на АЧХ появляется резонансный выброс, что является нежелательным явлением. Нас интересует оптимальная, равномерная частотная характеристика.

Улучшение переходной характеристики при индуктивной коррекции в импульсных усилителях объясняется следующим образом (рис. 1.3,б): в момент подачи скачка напряжения индуктивность имеет бесконечно большое сопротивление, в связи с этим весь ток SU _вх протекает по цепи C _о, и в результате этогоускоряется заряд этой емкости C _о. Рассмотрим количественный анализ индуктивной высокочастотной коррекции:

Знаменатель последнего выражения приводим к общему знаменателю . Вторые члены числителя и знаменателя умножаем и делим соответсвенно на и .

(1.1)

где  - коэффициент коррекции, равный квадрату добротности контура,  - нормированная частота. Из выра­жения (1.1) модуль частотной характеристики запишется в виде:

        (1.2)

Г.В. Брауде показал, что оптимальная частотная характеристика соответствует когда коэффициент при х² числителя и знаменателя равны:           m ² =1+2 m. Решив это квадратное уравнение получем оптимальный коэффициент коррекции . Вер­хнюю граничную частоту и площадь усиления с простой высокочас­тотной коррекцией можно выразить:

                        (1.3)

где  - коэффициент, определяющий выигрыш за счет коррекции. Например, при m =0,41 этот выигрыш равен 1,72. Высокочастотная коррекция уве­личивает площадь усиления каскада, и, соответственно, повышает его коэффициент усиления при заданной полосе усиливаемых частот, что позволяет уменьшить количество каскадов в усилителе. Оптимальная (без выбросов) переходная характеристика усилителя получается при m = 0,25. При дальнейшем увеличении m в пере­ходной характеристике появляются выбросы переднего фронта. В частности, при значении коэффициента коррекции m = 0,41, которому соответствует опти­мальная амплитудно-частотная характеристика, выброс имеет высоту около 2,5%.

Вопрос 2. Эмиттерная высокочастотная коррекция

 

В усилителях на биполярных транзисторах широкое применение находит эмиттерная высокочастотная коррекция. Биполярные транзисторы по сравнению с полевыми имеют малое значение входного сопротивления, которая шунтирует выход предыдущего каскада. По этой причине индуктивная коррекция дает меньший выигрыш. В схеме, приведенной на рис.2.1, в цепи эмиттера парал­лельно  вместо шунтирующей емкости С_э включают корректирующий конденсатор С_к небольшой емкости.

 

Рисунок 2.1 - Схема эмиттерной высокочастотной коррекции

 

Следовательно, с уменьшением частоты сопротивление этой емкости возрастает, увеличивается падение напряжения на ней, которое последовательно с входным напряжением поступает на входные электроды. Таким образом, в схеме возникает отрицательная обратная связь на низких и средних частотах. С увеличением частоты глубина отрицательной обратной связи уменьшается, увеличивается коэффициент усиления и, таким образом, компенсируется влияние паразитной емкости . При определенном соотношении  и  каскад с эмиттерной коррекцией имеет частотную характеристику с выигрышем в площади усиления в 1,5¸1,7 раза.

Вопрос 3. Низкочастотная коррекция

 

Для расширения полосы пропускания усилительного каскада в сторону низких частот, т.е. для улучшения его частотной характеристики на низких частотах и пе­реходной характеристики каскада в области больших времен можно использовать цепочку развязывающего фильтра, рис.3.1.

Рисунок 3.1 - Низкочастотная коррекция: а-принципиальная схема; б-эквивалентная схема.

 

При рассмотрении частотной характеристики принцип действия низкочастотной коррекции можно объяснить следующим образом: при уменьшении частоты увеличивается сопротивление нагрузки в выходной цепи за счет увеличения сопротивления емкости . В результате чего коэф­фициент усиления с понижением частоты возрастает, это компенси­рует влияние емкости С ₁. Переходная характеристика в области больших времен улучшается также за счет влияния . По мере заря­да емкости  напряжение, снимаемое с общей нагрузки, экспоненциально возрастает. Тем самым компенсируется уменьшение напряжения  за счет возрастания на U _С1.

Рассмотрим количественный анализ усилителя с низкочастотной коррекцией по эквивалентной схеме, рис.3.1. Считаем, что выполняется условие  Общий коэффициент усиления можно выразить; ,

где  - коэффициент передачи делителя ;

 - коэффициент усиления каскада, K ₁ = S Z _н.

При выполнении певого условия, , коэффициент усиления К₁ можно выразить

       (3.1)

где

Из (3.1) оптимальная частотная характеристика получится при условии

, т.е. .                            (3.2)

Эффективность низкочастотной коррекции снижается с уменьшением частоты, когда сопротивление   становится соизмеримым с . Поэтому  определяется из условия равенства этих сопротивлений:

Определим выигрыш по нижней граничной частоте, для чего рассмот­рим отношение:

                      (3.3)

Из выражения (3.2) следует, что чем больше , тем ниже . Однако чрезмерное увеличение  невозможно, так как при этом уве­личивается падение напряжения на нем и уменьшается потенциал выходной цепи . Поэтому  обычно выбирают ориентировочно согласно выражению

.

Емкость фильтра С_ф рассчитывается из выражения (3.2)

.

Низкочастотная коррекция находит широкое применение в им­пульсных и широкополосных усилителях для уменьшения спада плоской вершины.

 

Лекция 23. Выходные каскады усилителей (Занятие 2.1.10).

Вопросы: