10. Усилительные каскады с коррекцией

10.1. Методика расчёта оптимальных параметров корректирующих элементов

Современная техника часто требует усиления электрических сигналов, имеющих очень широкую полосу частот: от единиц или десятков герц до десятков мегагерц. Поэтому, для широкополосного усиления используют резисторный каскад, обладающий очень хорошей частотной и переходной характеристиками, и расширяют полосу усиливаемых частот добавлением в схему специальных цепей, называемых корректирующими.

Различают следующие виды корректирующих цепей:

• Цепи, расширяющие полосу пропускания каскада в НЧ области, называют цепями (или схемами) низкочастотной коррекции (НЧ коррекция). НЧ коррекция улучшает переходную характеристику в области больших времен, то есть уменьшает спад вершины импульса.

• Цепи, расширяющие полосу пропускания каскада в ВЧ области, называют цепями (или схемами) высокочастотной коррекции (ВЧ коррекция). ВЧ коррекция улучшает переходную характеристику в области малых времен, то есть уменьшает время нарастания фронта.

Схемы ВЧ коррекции подразделяют на два подвида: схемы ВЧ коррекции с использованием корректирующей индуктивности и схемы ВЧ коррекции с использованием частотно-зависимой ООС.

Все методы частотной коррекции основаны на введении в усилитель дополнительных элементов. Корректирующие элементы должны обеспечивать требуемую частотную коррекцию, не нарушая основные параметры и характеристики усилителя. Таким образом, по всей видимости, существуют оптимальные значения номиналов корректирующих элементов, при которых выполняются данные условия.

Метод Брауде позволяет определить оптимальные параметры схем частотной коррекции с целью приближения АЧХ реального усилителя к АЧХ идеального усилителя – (рис.1.2).

Из курса ОТЦ известно, что для любого линейного четырехполюсника передаточная функция может быть представлена в виде отношения двух полиномов:

.

(10.1)

Для выполнения условия физической реализуемости линейного четырехполюсника ( при ) должно выполняться неравенство .

Для того чтобы приблизить реальную АЧХ линейного четырехполюсника к идеальной следует изменить коэффициенты полиномов таким образом, чтобы коэффициенты при одинаковых степенях частоты в числителе и знаменателе были равны:

.

(10.2)

Так как коэффициенты и зависят от известных параметров исходного некорректированного усилителя и параметров корректирующих элементов, то решение системы равенств для коэффициента передачи усилителя позволит определить оптимальные параметры корректирующих элементов.

10.2. Индуктивная вч коррекция На рис. 10.1 представлена схема вч коррекции с добавочной индуктивностью в каскаде на полевом транзисторе

Коррекция осуществляется с помощью катушки индуктивности , включенной последовательно с резистором . Принцип действия основан на увеличении сопротивления цепи стока в области ВЧ: в области ВЧ сопротивление цепи стока определяется согласно (10.3), в областях НЧ и СЧ согласно (10.4).

.	(10.3)
.	(10.4)

Рис.10.1. Принципиальная схема каскада ОИ с индуктивной ВЧ коррекцией

Индуктивная ВЧ коррекция эффективна только при работе на высокоомную нагрузку, то есть нагрузка усилителя или входное сопротивление следующего каскада высокоомные: или .

В случае низкоомной нагрузки или низкоомного входного сопротивления следующего каскада, сопротивление нагрузки каскада зашунтирует сопротивление цепи стока . Поэтому, такую схему коррекции можно применять или в оконечном каскаде с высокоомной нагрузкой, например, когда нагрузкой является кинескоп или осциллографическая трубка, или в том случае, когда входное сопротивление следующего каскада велико, например следующий каскад собран на полевом транзисторе.

Для получения эквивалентной схемы используем допущения, которые применялись для описания работы каскада в ВЧ области.

Рис.10.2. Эквивалентная схема каскада с индуктивной ВЧ коррекцией

Эквивалентную схему (рис. 10.2) можно упростить, полагая что нагрузка является высокоомной (рис.10.3).

Рис.10.3. Эквивалентная схема каскада с индуктивной ВЧ коррекцией при высокоомной нагрузке

Уменьшение спада частотной характеристики в области верхних частот при включении корректирующей индуктивности объясняется тем, что транзистор оказывается нагруженным на параллельный колебательный контур, состоящий из и . Если резонансная частота этого контура соответствует верхней частоте рабочего спектра частот входного сигнала, то его сопротивление в ВЧ области будет больше сопротивления цепи стока на средней частоте. Следовательно, в ВЧ области коэффициент усиления увеличивается и АЧХ выпрямляется.

В областях НЧ и СЧ сопротивление катушки индуктивности пренебрежимо мало, в сравнении с сопротивлением стока и не оказывает влияния на работу схемы.

Определим с использованием метода Брауде оптимальное значение корректирующей индуктивности . Передаточная функция каскада с высокочастотной индуктивной коррекцией для области верхних частот будет иметь вид:

.

(10.5)

Коэффициент частотных искажений на верхней граничной частоте определяется выражением (10.6).

,

(10.6)

где – номинальный коэффициент усиления, который при высокоомной нагрузке и большом входном сопротивлении ПТ можно считать по приближенной формуле .

Модуль коэффициента частотных искажений определяется выражением (10.7).

.

(10.7)

В числителе находится полином второй степени , в знаменателе – четвертой степени , т.е. , а, следовательно, с увеличением частоты усиление падает до нуля . Элементы и известны из расчета исходного каскада. Необходимо определить величину корректирующей индуктивности .

В числителе (10.7) находится полином второй степени , в знаменателе – четвертой степени , следовательно , с увеличением частоты усиление падает до нуля . Элементы и известны из расчета исходного каскада. Необходимо определить величину корректирующей индуктивности .

По методу Брауде условием оптимальности будет равенство коэффициентов при одинаковых степенях частоты в числителе и знаменателе выражения – для записанного коэффициента частотных искажений при членах ²:

.

(10.8)

Следовательно, уравнение для нахождения величины корректирующей индуктивности будет иметь вид (10.9).

.

(10.9)

Корнями этого квадратного уравнения являются (10.10).

.

(10.10)

Из условия физической реализуемой индуктивности ( ) получаем выражение для оптимального значения индуктивности :

.

(10.11)

На рис. 10.4 представлены АЧХ и ПХ при различных значениях корректирующей индуктивности .

Рис.10.4. АЧХ и ПХ каскада с индуктивной ВЧ коррекцией при различных значениях корректирующей индуктивности: 1 – без коррекции , 2 – оптимальная коррекция , 3 – перекоррекция

Из представленных на рис.10.4 графиков видно, что при введении ВЧ коррекции увеличивается верхняя граничная частота и уменьшается время нарастания фронта.

При перекоррекции (вариант 3 рис.10.4) имеем сокращенный фронт импульса, но появляется возбуждение колебаний, то есть искажается форма сигнала. Использование перекоррекции возможно в отдельных каскадах многокаскадного усилителя для получения равномерной АЧХ всего усилителя, при отсутствии коррекции в остальных каскадах.

Теоретически верхнюю граничную частоту можно поднять на 82%. Дальнейшее увеличение ограничено членом второй степени в знаменателе (10.5), который будет давать спад АЧХ.

К преимуществу индуктивной ВЧ коррекции следует отнести увеличение площади усиления – (при оптимальной коррекции площадь усиления увеличивается в 1,72 раза):

К недостаткам индуктивной ВЧ коррекции следует отнести:

1. коррекция эффективна только при работе на высокоомную нагрузку, т.е. должно выполняться неравенство ;

2. из-за отсутствия широкого ряда серийно выпускаемых индуктивностей очень сложно получить в реальной схеме точное значение ;

3. индуктивность является источником электромагнитного излучения, что требует использования экранировки, следовательно, использование индуктивной ВЧ коррекции ведет к увеличению веса, габаритов и стоимости усилителя;

4. индуктивную ВЧ коррекцию сложно реализовать в микро исполнении (непригодна для интегральных схем).

Каскады с индуктивной ВЧ коррекцией используются в усилителях для электронно-лучевых трубок (там очень большое сопротивление нагрузки), а также в дешевой радиоаппаратуре.