И. Хабловски - Электроника в вопросах и ответах
1 — колебательная форма фронта; 2 — монотонная
Для полного определения искажений фронта служат три параметра; время нарастания τн, определяемое как время нарастания отклика от 0,1 до 0,9 в установившемся состоянии; время задержки τз определяемое как время нарастания отклика от 0 до 0,5 в установившемся состоянии; амплитуда первого колебания (выброса) l.
Естественно, что последний параметр не относится к непрерывно нарастающему (монотонному) отклику.
Для определения вершины отклика за критерий ошибки принимается спад z в момент t = Т. Как уже упоминалось, временная характеристика строго зависит от частотных характеристик. И поэтому максимально линейной фазовой характеристике, а также плавно спадающей амплитудной характеристике соответствуют монотонный характер фронта (l < 1 %) и относительно большее время нарастания. В свою очередь максимально гладкой амплитудной характеристике, достаточно быстро спадающей за пределами полосы пропускания, соответствует отклик с небольшими амплитудами выбросов и относительно малым временем нарастания. Спад отклика зависит от нижней граничной частоты усилителя. Чем эта частота меньше, тем меньше спад. В принципе не существует простых зависимостей между частотными и импульсными параметрами усилителя. Однако на практике можно пользоваться зависимостью, которая связывает время нарастания τн и верхнюю граничную частоту fв. Оказывается, что произведение τнfв есть величина постоянная и примерно равная 0,4. Из этой зависимости следует, что время нарастания единичного отклика тем меньше, чем выше верхняя граничная частота усилителя.
На чем основана компенсация усилителя?
Широкополосные резистивные усилители характеризуются такой амплитудной характеристикой в некотором диапазоне частот, которого из-за коэффициента усиления усилителя в ряде применений может оказаться недостаточно. Поэтому имеется необходимость в увеличении площади усиления путем расширения его полосы. Этот метод основан на компенсации падения коэффициента усиления в диапазоне высоких и низких частот с помощью соответственно включенных пассивных цепей. Благодаря этим цепям сопротивление нагрузки усилителя в диапазоне частот, в котором происходит уменьшение усиления, увеличивается, в связи с чем происходит выравнивание усиления.
Каковы цепи компенсации усилителя в диапазоне высоких частот?
Схемы компенсации усилителя в диапазоне высоких частот делятся на двух- и четырехполюсниковые схемы компенсации в зависимости от того, являются ли межкаскадные компенсирующие цепочки двух- или четырехполюсниковыми.
Простейшая схема двухполюсниковой компенсации с помощью параллельной индуктивности показана на рис. 7.12.
Рис. 7.(2. Ламповый (а) и транзисторный (б) усилители с двухполюсниковой компенсацией параллельной индуктивностью
Индуктивность подобрана таким образом, что вместе с полной выходной емкостью каскада образует параллельный резонансный контур на частоте, при которой амплитудная характеристика начинает заметно спадать.
В зависимости от добротности резонансного контура получают плоскую или возрастающую (приподнятую) в определенном диапазоне частот амплитудную характеристику. На рис. 7.13 представлено семейство характеристик усилителя со схемой двухполюсниковой компенсации для разных значений добротности Q.
Рис. 7.13. Амплитудные характеристики усилителя с компенсаций параллельной индуктивностью
Можно показать, что максимально плоская амплитудная характеристика получается при Q = 0,414. Произведение коэффициента усиления на ширину полосы пропускания составляет при этом 1,73 значения аналогичного произведения для усилителя без компенсации. Это означает, что при заданном усилении компенсация позволяет на 73 % увеличить ширину полосы пропускания усилителя. Теоретический предел возможности расширения полосы с помощью более сложных схем двухполюсниковой компенсации равно 2. Bpeменные характеристики усилителя с двухполюсниковой компенсацией демонстрируют меньшее время нарастания но начиная с Q = 0,25, появляются выбросы (колебания), возрастающие с увеличением добротности.
Четырехполюсниковая компенсация состоит во включении между выходом данного усилительного каскада и входом последующего соответствующим образом рассчитанного корректирующего четырехполюсника. В схемах этого типа корректирующий четырехполюсник отделяет выходную емкость данного каскада от входной емкости последующего, благодаря чему площадь усиления может быть больше, чем в усилителях с двухполюсниковой коррекцией, поскольку компенсация касается меньших емкостей. Теоретический предел роста произведения GB для четырехполюсниковон компенсации по сравнению с произведением GB усилителя без компенсации составляет 4.
К недостаткам четырехполюсниковой компенсации относятся зависимость частотных и временных характеристик от соотношения входной и выходной емкостей усилителя, а также худшие импульсные свойства в результате того, что предельный фазовый сдвиг больше, чем в усилителях с двухполюсниковой компенсацией.
На рис. 7.14 представлена простейшая схема четырехполюсниковой компенсации с помощью последовательной индуктивности.
Рис. 7.14. Четырехполюсниковый элемент компенсации усилителя
Индуктивность разделяет емкости Са и Сс, в результате чего образуется фильтр нижних частот, корректирующий характеристику. Ламповый вариант схемы приведен сознательно, поскольку в транзисторных схемах выходная емкость намного меньше входной и разделение емкостей согласующим четырехполюсником на практике не дает преимуществ. В ламповых схемах четырехполюсниковая компенсация является эффективной, поскольку Са и Сс — обычно одного порядка (Са ~= 1/2·Сс).
Например, если отношение емкости Сс к полной Са + Сс составляет 0,75, добротность Q = 0,67, то увеличение произведения GB составляет 2, время нарастания τн = 1,1·R·(Са + Сс), а амплитуда первого выброса l ~= 8,1 %.
Какова схема компенсации усилителя в диапазоне низких частот?
Амплитудная характеристика в диапазоне низких частот может быть расширена путем включения последовательно с нагрузкой резистора Rx и конденсатора Cх (рис. 7.15).
Рис. 7.15. Схема компенсации в диапазоне низких частот
В диапазоне средних и высоких частот реактивное сопротивление конденсатора Сх настолько мало, что практически замыкает резистор Rx на этих частотах и приводит к тому, что эффективное сопротивление нагрузки равно R1.
В диапазоне низких частот шунтирующим влиянием емкости Сх можно пренебречь. В этом случае эффективное сопротивление увеличивается до R1 + Rx. Увеличение сопротивления нагрузки вызывает увеличение усиления каскада и, следовательно, при соответственно подобранных Rx и Сх компенсацию падения усиления, вызванного влиянием делителя, состоящего из конденсатора связи и входного сопротивления Rвх.
Временная характеристика скомпенсированного усилителя в диапазоне низких частот имеет меньший спад, чем временная характеристика некомпенсированного усилителя.
Что такое усилитель постоянного тока?
Усилителем постоянного тока называется усилитель, предназначенный для усиления медленно изменяющихся колебаний с постоянной составляющей. Амплитудная характеристика такого усилителя в диапазоне низких частот охватывает также «частоту» f = 0 Гц. Ограничение амплитудной характеристики в диапазоне высоких частот происходит по тем же причинам, что и в усилителе с емкостной связью.
Характерной чертой усилителей постоянного тока является отсутствие в них каких-либо реактивных элементов связи (конденсаторов, трансформаторов). Отдельные каскады связаны непосредственно: анод или коллектор данного каскада соединен с сеткой или базой последующего каскада. Отсюда усилители постоянного тока часто называются усилителями с непосредственной связью.
