Тема Лекції: Аперіодичні (резистивні) підсилювачі

Лекція 49.

Тема Лекції: Аперіодичні (резистивні) підсилювачі.

1.Резистивні підсилювачі.

2.Корекція частотних характеристик широкополосних підсилювачів

Література: Л1. с. Л6 с.153-156, Л7. с.244-247

1. Резистивні підсилювачі

Якщо в якості нелінійних елементів використовуються резистивні елементи, то такі підсилювачі називають резистивними. Як нелінійні елементи резистивних підсилювачів використовуються транзистори (біполярні і польові) і електронні лампи (тріоди, тетроди, пентоди).

Проаналізуємо спочатку підсилювач на біполярному транзисторі, побудований за схемою з загальним эмітером (мал.5). Елементи Rj, Rk і Rэ визначають величину постійної напруги ва колекторі

де , - постійні складові колекторного і эмиттерного струмів, величини яких залежать від постійної напруги на базі транзистора

Елементи , , забезпечують температурну стабілізацію режиму по постійному струмі. Це відбувається за рахунок того, що, наприклад, при

Мал. 5. Резистивний підсилювач на транзисторі

збільшенні струму через температуру збільшується величина напруги

а це приводить до зменшення напруги а, отже, до зменшення струму .

Для того, щоб не було подібного ефекту по перемінної складової токи эмітера, резистор Rэ шунтирується ємністю Сэ такої величини, щоб виконувалася наступна умова:

Ланцюг Rf , Сf призначений для виключення зв'язку між каскадами по перемінному струмі. При обраному режимі роботи транзистора завжди можна визначити його Y-параметри як чотириполюсника або безпосередньо по характеристиках, або по довідковим даним для h -параметрів.

Для аналізу підсилювальних і частотних властивостей підсилювача доцільно розглянути його схему заміщення, представлену на мал.6.

Рис. 6. Повна схема заміщення резистивного підсилювача

В області середніх частот опір конденсатора дуже малий в порівнянні з опором, тому замість нього можна вважати коротке замикання. Величини інших ємностей дуже малі і їхні опори можна вважати нескінченно великими. Тому схема заміщення підсилювача в області середніх частот прийме вид, представлений на мал. 14.7.

Для аналізу характеристик підсилювача будемо вважати, що посилення відбувається в діапазоні частот . При такій умові Y - параметри транзистора можна вважати речовинними, провідність - рівної нулеві.

Визначимо коефіцієнт підсилення підсилювача в діапазоні середніх частот, де опором ємності Ср можна зневажити,

а опір ємності Сн вважати нескінченно великим.

Тоді за законом Ома одержимо вираження для напруги по навантаженню

відкіля випливає вираження для коефіцієнта підсилення

Отриманий результат відповідає вираженню (14.5) при

В частині нижніх частот ємністю Сн можна зневажити, а опір стає порівнянним з опором Rк і Rн. У зв'язку з цим схема заміщення підсилювача в області нижніх частот прийме вид, представлений на мал.14.8.

Рис.8. Схема заміщення резистивного підсилювача в області нижніх частот

Позначивши і використовуючи топологічний метод визначення передатної функції ланцюга при заданому джерелі струму, знаходимо:

метод визначення передавальної функції ланцюга при заданому джерелі струму, знаходимо:

Після перетворення вираження (14.12) може бути приведене до виду:

Таким чином, в області нижніх частот коефіцієнт підсилення підсилювача тим менше, чим менше величина розділової ємності. В області верхніх частот можна зневажити опором ємності Ср, тому що

але при цьому необхідно прийняти в увагу всі рівнобіжні ємності, і схема заміщення підсилювача прийме вид, представлений на мал. 9.

В області верхніх частот зменшення коефіцієнта підсилення обумовлено наявністю ёмкостей , , , рівнобіжних навантаженню .По отриманих вираженнях для коефіцієнта підсилення можна побудувати частотні характеристики підсилювача, приклад-

ний графік яких представлений на мал. 10,

Рис..10. Частотні характеристики резистивного підсилювача Вхідна провідність підсилювача в області частот, менших визначається провідністю дільника у вхідною провідністю транзистора і дорівнює . На частотах, що перевищують , помітний внесок вносять вхідна ємність і прохідна провідність

Вихідна провідність підсилювача практично дорівнює .При значному підвищенні частоти позначається вплив ємності, а вихідна провідність буде дорівнює Коефіцієнт підсилення струму в області середніх частот можна визначати з використанням вираження (14.7)

тобто коефіцієнт підсилення струму визначається коефіцієнтом підсилення транзистора по струму і відношенням величини опору в ланцюзі колектора до опору навантаження. Коефіцієнт підсилення потужності дорівнює добуткові коефіцієнтів підсилення струму і напруги:

Наприклад, при, , одержимо

, ,

Коефіцієнт корисної дії резистивного підсилювача досить низок. Для його визначення скористаємося графіками, мал.11.

Рис. 14.11. До визначення коефіцієнта корисної дії лінійного підсилювача

Споживана потужність від джерела харчування в обраному режимі по постійному струму дорівнює , а корисна потужність у навантаженні не може бути більше величини

оскільки струм колектора протікає через і . Тому коефіцієнт корисної дії резистивного підсилювача буде менше величини Оскільки і (інакше виникнуть нелінійні перекручування), маємо

тобто К. П.Д. резистивного підсилювача менше 25%. Схеми резистивних підсилювачів на польових транзисторах і лампах будуються, як правило, але схемам, представленим на

Рис. 14.12. Pезистивні, підсилювачі на польовому транзисторі (г) . і на лампі (б).

Аналіз цих підсилювачів нічим не відрізняється від аналізу схем на біполярному транзисторі. Відмінність складається тільки в схемах заміщення самих нелінійних елементів. Так, для схеми резистивного підсилювача на польовому транзисторі схема заміщення буде мати вигляд, представлений на мал. 14.13.

, , ,

,

Рис. 13. Схема заміщення резистивного підсилювача

на польовому транзисторі.

Особливістю схем підсилювачів на лампах і польових транзисторах є високий вхідний опір, що дає можливість величину ємності вибрать значно менших значень, чим у підсилювачах на біполярних транзисторах. Коефіцієнти підсилення напруги в підсилювачах на лампових тріодах і польових транзисторів трохи нижче, ніж у підсилювачах на біполярних транзисторах через те, що в них крутість вольт-амперної характеристики до менше, ніж у біполярних транзисторів.

2. Корекція частотних характеристик

широкополосних підсилювачів

У багатьох випадках виникає необхідність лінійного розчулення коливань у дуже широкому діапазоні частот (десятки Мгц) без перебудови підсилювача. У цьому випадку звичайні резистивні підсилювачі не забезпечує вимог до АЧХ в області верхніх частот і потрібне застосування елементів корекції частотних характеристик. В разі застосування резистивних підсилювачів для посилення імпульсних коливань виникає необхідність корекції частотних характеристик в областях нижніх і верхніх частот. Завал частотної характеристики в області нижніх частот приводить до перекручування вершин імпульсу, а в області верхніх частот - фронту і спаду імпульсу. Це легко установити, визначивши перехідну характеристику резистивного підсилювача. Комплексний коефіцієнт підсилення в загальному випадку може бути представлений у наступному виді:

(14.15)

де , ,

Оскільки перехідна характеристика визначається по передатної, то одержимо:

Після переходу до оригіналу одержимо:

(14.16)

де

Графік отриманої перехідної характеристики представлений на мал. 14.14,а

Рис. 14.14. Графік перехідної характеристики резистивного підсилювача(а), форма імпульсу на його виході (в)

В усіх підсилювачах з такою перехідною характеристикою мають місце перекручування форми імпульсу, представлені на ряс. 14.14,б. Щоб зменшити перекручування форми імпульсів, потрібна корекція тимчасової характеристики як в області малих часів (верхніх частот) , так і в області великих часів (нижніх частот). Корекція частотних характеристик в області верхніх частот (тимчасових характеристик в області малих часів) у більшості випадків здійснюється з застосуванням коригувальної індуктивності (мал. 14.15). Фізично сутність такої корекції полягає в тім, що включення індуктивності приводить до утворення коливального контуру з параметрами ,, . На резонансній частоті контур має великий опір і коефіцієнт

Рис. 15. Схема резистивного підсилювача з простою рівнобіжною корекцією

посилення підсилювача зростає. При цьому індуктивність доцільно вибрати такою, щоб резонансна частота лежала за межами граничної частоти смуги пропускання резистивного підсилювача (мал.14.16 ).

Рис. 14.1б. Частотні і часові характеристики підсилювача з корекцією

Коефіцієнт підсилення підсилювача з корекцією в області верхніх частот буде дорівнює (при) . Позначивши , після

перетворень отримаєм .

Перейшовши до операторної форми, знайдемо і перехідну характеристику

(14.17),

де , .

Чим вище добротність контуру, що утворився, тим менше час установлення і більше амплітуда викиду на перехідній характеристиці (рис, 14.16, б). Зі збільшенням добротності збільшується в нерівномірність АЧХ. Тому її величину вибирають, виходячи з вимог до (тривалості фронту імпульсу) я величині або вимог до АЧХ. Звичайно Знаючи величину , легко визначити необхідну величину . При корекція частотних характеристик керуються ще і величиною необхідної полоси пропускання. При посиленні імпульсних коливань у міру збільшення добротності контуру корекції зменшується час , тобто коректується тривалість фронту. Однак при цій збільшується викид на вершині імпульсу. Вершина імпульсу здобуває форму згасаючих гармонічних коливань, мал. 14.17, При каскадному з'єднанні струм скоректованих підсилювачів перекручування імпульсу збільшується. У зв'язку з цим треба вибирати компромісне значення добротності. Для цієї мети отримані розрахункові значення і побудовані спеціальні розрахункові графіка, що дозволяють правильно вибрати параметри елементів корекції. Розглянутий спосіб корекції широко використовується в підсилювачах на польових транзисторах і лампах. При використанні біполярних транзисторів частіше використовується эміттерна корекція.

Рис. 17. Перетворення імпульсу при великій добротності ( Q=3 ) контурa корекції

Розглянутий спосіб корекції широко використовується в підсилювачах на польових транзисторах і лампах. При використанні біполярних транзисторів частіше використовується эміттерна корекція. У ланцюзі эміттера паралельно резисторові включається конденсатор такої ємності, що з підвищенням частоти його опір зменшується і коефіцієнт підсилення збільшується за рахунок зменшення глибини зворотного зв'язку. Іноді використовується включення коригувальної індуктивності паралельно опорові в ціпа колектора. Це можливо при невеликих значеннях , коли режим по постійному струму при включенні, змінюється незначно (мал. 14.18). У цьому випадку необхідна добротність залежить від сумарної провідності і коригувальної індуктивності, яку можна визначити, виходячи з заданих вимог до частотних або тимчасових характеристик.

Рис. 14.18. Широкополосний підсилювач з эміттерною і колекторною корекцією

У сучасних радіоприймальних пристроях широкополосні підсилювачі використовуються як підсилювачі високої частоти в діапазоні частот 1,5-30 Мгц. Застосування транзисторів, що допускають великі струми спокою, дозволяє в якості колекторної (стоковою) навантаження використовувати тільки котушку індуктивності (мал. 14.19,а). Опір котушки індуктивності перемінному струмові зростає з частотою, тому зменшення посилення в області верхніх частот за рахунок рівнобіжних ємностей компенсується (Рис,14.19,б). Корекція характеристик в області великих часів (нижніх частот) здійснюється шляхом збільшення постійної часу звичайно за рахунок збільшення ємності , Крім того, для зменшення спаду імпульсу при посилення імпульсних коливань використовується корекція за рахунок підбора параметрів фільтрового осередку і . Спад вершини імпульсу відбувається за рахунок ланцюгів з великою сталою часу Деякий підйом вершини можна здійснити ланцюгом , . Фізична сутність такої корекції полягає в наступному. У початковий момент при збільшенні стрибком струму через нелінійний елемент заряджений і напруга на близько до нуля.

Рис. 14.19. Підсилювач з індуктивним навантаженням у ланцюзі колектора (а) і його частотна характеристика (б)

По мірі заряду конденсатора збільшується напруга, що знімається на навантаження. Тобто відбувається за час часткова компенсація зменшуваних (за рахунок заряду ) напруги в навантаженні. Звичайно для вирівнювання вершини імпульсу вибирають . Для посилення імпульсів дуже малої тривалості крім розглянутих використовують підсилювачі з складною корекцією або підсилювачі з рухомою хвилею.