1.5.3.4 Схема коррекции с обратной связью

Из -за большого разброса параметров биполярных транзисторов и сильно изменения их при колебаниях температуры, напряжения электро­питания, старения и замене изменения коэффициента усиления и характеристик каскадов предварительного усиления поэтому в широ­кополосных каскадах используют схемы

162

коррекции, вводящие в каскад глубокую отрицательную обратную связь. Рассмотрим наиболее широко применяемые схемы этого типа и их основные свойства.

а) Низкочастотная коррекция. Схема низкочастотной коррекции комплексной обратной связи в резисторном каскаде изображена на рисунке 1.75. Включенная меж­ду коллектором и базой последовательная цепочка R_cC_c здесь созда­ет параллельную отрицательную обратную связь по напряжению, уменьшающую усиление каскада и улучшает стабилизирующие его свойства и характеристики. Сопротивление R_e берут таким, чтобы получить нужную глубину обратной связи, а ёмкость С_с должна быть настолько велика, чтобы её сопротивление на верхних и средних часто­тах было мало по сравнению с R_с. Тогда на этих частотах сопротивле­ние цепочки C_cR_c будет практически постоянно и равно R_e, следова­тельно, постоянна и глубина обратной связи

Рисунок 1.75 - Схема принципиальная низкочастотной коррекции

При понижении частоты возрастающее сопротивление ёмкости С_с увеличивает сопротивление цепочки С_сR_с и глубина обратной связи уменьшается, что приводит к повышению коэффициента усиления схемы с уменьшением частоты. Изменение ёмкости С_с позволяет получать частотную и переходную характеристики, как без подъёма, так и с подъёмом нужной величины. Следует заметить, что вводимая цепоч­кой C_cR_c обратная связь улучшает характеристики и в области верх­них частот. коррекцией, для чего в цепочку обрат­ной связи C_cR_c добавляют дроссель высокочастотной коррекции L_c, показанный на рисунке 1.75.

б ) Высокочастотная коррекция .

В широкополосных каскадах, работающих на следующий каскад с биполярным транзистором, очень хорошие результаты дает схема эмиттерной высокочастотной коррекции (рисунок 1.76,а), в которой следу­ющего каскада. Здесь R_эк создает последовательную отрицательную обратную связь по току, уменьшающую усиление каскада во всей полосе частот и улучшает

163

стабилизирующую его свойства. Присоединяемый параллельно R_эк конденсатор С_эк очень малой ёмкости ослабляет обратную связь лишь на верхних частотах, что увеличива­ет усиление каскада при повышении частоты, компенсируя его паде­ние от влияния нагружающей каскад ёмкости С_о. Изменяя С_эк мож­но получить частотную характеристику на верхних частотах как без подъёма, так и с подъёмом (рисунок 1.76), а переходную

характерис­тику в области малых времен без выброса или с выбросом.

Рисунок 1.76- Эмиттерная высокочастотная коррекция

Частотная характеристика без подъёма с наиболее широкой полосой пропускания (наилучшая характеристика) получается при определённом соотношении постоянных времени цепочки эмиттерной стабилизации С_экR_эк и входной цепи транзистора С_бэR_экв; выйграшь в площади усиления при такой характеристики схема дает около 1,5 раза, т.е. почти столько же, сколько дает параллельная коррекция индуктивности. Критический выброс у схемы эмиттерной высокочастотной коррекции, как и у схемы параллельной коррек­ции, близок к 1%.

Отрицательная обратная связь, действующая в каскаде с эмиттерной коррекцией, снижает нелинейные искажения и помехи, уменьша­ет изменение коэффициента усиления каскада и его характеристик при замене транзисторов, их старении и изменении температуры, повы­шая надёжность устройства; она также позволяет сильно уменьшить ёмкость конденсаторов С_р и С_{э сл}.

Истоковая высокочастотная коррекция, она же эмиттерная высокочастотная коррекция, практически применяется редко, так как лучшие результаты дает применение коррекции индуктивностью.

164

Дополнительный материал к лекции 11 для самостоятельной работы

Избирательные усилители

Избирательными или селективными называются усилители, имеющие узкую полосу пропускания и усиливающие сигналы толь­ко в пределах этой полосы. За пределами полосы пропускания усиление значительно меньше, либо вообще отсутствует.

Избирательные усилители применяются для усиления сигналов как на высоких, так и на низких частотах. Они используются в селективных вольтметрах, анализаторах спектра, синтезаторах частоты, измери­телях нелинейных искажений и многих других радиоизмерительных приборах. Кроме того, такие усилители являются одним из важнейших каскадов радиопередающих и радиоприёмных устройств. По принци­пу действия избирательные усилители делятся на резонансные и усилители с частотно-зависимой обратной связью.

В резонансных усилителях узкая полоса пропускания обеспечивается использованием в качестве нагрузки выходной цепи транзистора параллельного LC-контура, обладающего частотно-избирательными свойствами.

В усилителях с частотно-зависимой обратной связью используют­ся цепи частотно-зависимой обратной связи, усиливающие или подав­ляющие сигналы в узком диапазоне частот, что предопределяет резо­нансный характер частотной характеристики усилителя.

Резонансные усилители. В зависимости от вида резонансной цепи резонансные усилители подразделяются на одноконтурные, двухконтурные, многоконтурные, усилители с пьезоэлектрическими и электромеханическими фильтрами, усилители с резонансными линиями и объёмными резонаторами.

В зависимости от вида АЧХ различаются усилители резонансной частоты и полосовые усилители с АЧХ по форме, близкой к прямоу­гольной. В резонансных усилителях нагрузкой выходной цепи усили­тельного элемента является параллельный колебательный контур (фильтр), имеющий высокое сопротивление для резонансной частоты и малое сопротивление для других частот. Транзистор может быть включён по схеме с общей базой, общим эмиттером и общим коллектором, однако в большинстве случаев используются схема с общим эмиттером, обеспечивающая максимальное усиление по мощности с малым уровнем шума. Частотная характеристика резонансного усилителя определяется параметрами колебательного контура, причём избирательные свойст­ва контура могут быть наиболее полно реализованы в схеме усилителя при условии малого шунтирования контура выходным сопротивлени­ем источника сигнала и входным сопротивлением нагрузки. Известно, что транзистор имеет низкие входные и

165

выходные сопротивления. Поэтому при построении схем транзисторных

усилителей приходится считаться с шунтирующим действием этих сопротивлений на контур, ведущий к снижению коэффициента усиления каскада и ухудшению его избирательных свойств.

Для уменьшения влияния транзисторов ( данного каскада и сле­дующего) на контур в схемах резонансных усилителей, как правило, используют неполное включение контура в коллекторную цепь тран­зистора. Такое включение может быть достигнуто, например, с помо­щью автотрансформаторной схемы включения контура (рисунок 1.77).

Рисунок 1.77 - Схема принципиальная резонансного усилителя ( а) и

амплитудно - частотная характеристика ( б).

Данная схема состоит из следующих элементов: индуктивность L₁ совместно с конденсатором С₁ образуют параллельный колебательный контур, резисторы R₁ и R₂ предназначены для создания напряжения смещения на транзистор VT, разделительные конденсаторы C_p1 и С_р2 выбираются таким образом, чтобы они не оказывали влияние на частот­ную характеристику резонансного усилителя. Коэффициент усиления резонансного усилителя максимален при совпадении частоты усиливаемого сигнала f_c с резонансной частотой колебательного контура fо=1/2π√L₁·C_экв, уменьшаясь на других час­тотах.

Усилители с частотно-зависимой обратной связью. Резонансные и полосовые усилители дают хорошие результаты лишь при рабочей частоте порядка единиц килогерц и выше. На бо­лее низких частотах индуктивность резонансного контура оказывается чрезмерно большой и контур становится громоздким и дорогим. Катушка индуктивности такого контура содержит много витков тонкого провода и очень чувствительна к наводкам и помехам, а также ухудшаются технические (добротность, избирательность) показатели. Поэтому избирательные усилители, предназначенные для работы на частотах

166

порядка сотен герц и ниже, обычно строятся с использовани­ем частотно-избирательных фильтров типа RC в цепи отрицательной обратной связи.

Структурная и принципиальная схема приведена на рисунке 1.78,а.б Т-образный фильтр включается в цепь отрицательной обрат­ной связи. На квазирезонансной частоте f_o фильтр вносит максималь­ное затухание в сигнал, проходящий с выхода на вход. Поэтому глуби­на отрицательной обратной связи практически равна нулю и усиле­ние сигнала оказывается максимальным. На частотах, отличающихся от квазирезонансной, затухание, вносимое фильтром, уменьшается. При этом усиливается отрицательная обратная связь и соответствен­но уменьшается усиление сигнала. Частотная характеристика такого усилителя (рисунок 1.78,а) напоминает резонансную характеристику колебательного контура и, следовательно, приведенная схема по своим свойствам подобна избирательному усилителю с нагрузкой в виде ко­лебательного контура.

Рисунок 1.78 - Структурная и принципиальная схема усилителя с частотно зависимой обратной связью на двойном Т – образном фильтре

Для того, чтобы избежать влияния малого сопротивления источника входного напряжения на фильтр, между входом усилителя и фильтром включают развязывающий резистор Rг. Величи­на сопротивления этого резистора составляет 1,2 МОм.

167

Каскодная схема на полевых транзисторах и с резонансным контуром

Один из способов устранения ёмкостной обратной связи и эффекта Миллера, который можно реализовать как на биполярных, так и на полевых транзисторов. В случае полевых транзисторов один из которых VT1 включается по обычной схеме с общим истоком, но вместо нагрузки и получения выходного сигнала непосредственно на стоке этого транзистора вводится другой полевой транзистор VT2, причем этот транзистор включен по схеме с общим затвором. Этот принцип применяется в предусилителях, в приёмниках FM – диапазона ( рисунок 1.79 )

.

Рисунок 1.79 – Предусилитель для радиодиапазона коротких волн на полевых

транзисторах с р-п- переходом в каскодном включении

На схеме ( рисунок 1.79 ) транзистор VT1 включен по схеме с общим истоком. В цепь стока транзистора VT1, включен транзистор VT2 по схеме с общим затвором, так что сопротивление нагрузки в цепи стока транзистора VT1 равно 1/S и это сопротивление очень мало по величине. Если оба полевых транзисторов имеют одинаковую крутизну S, то коэффициент усиления напряжения на транзисторе VT1 равен

Кu ≈ - S R ≈ -S ( 1/S ) ≈ -1 . ( 1.79 )

Благодаря этому единичному усилению напряжение сигнала на емкости сток-затвор транзистора VТ1, пренебрежимо мало и эффект Миллера несущественен.

Оконечная нагрузка Z_L помещена в цепь стока транзистора VT2 и в дан­ном случае представляет собой резонансный контур с большим сопротивле­нием на нужной частоте. Поскольку ток стока транзистора VT2 должен рав­няться току стока транзистора VT1, на стоке транзистора VT2 возникает напря­жение выходного сигнала, а коэффициент

168

усиления напряжения всей схе­мы в целом оказывается, как обычно, равным SZ_L. Таким обра­зом, что роль верхнего транзистора VT2 в каскодной схеме сводится к тому, чтобы поддерживать напряжение на стоке нижнего транзистора VT1 постоян­ным и в то же время полностью передавать колебания его тока стока в на­грузку Z_L . Поэтому здесь и коэффициент усиления напряжения, и большое входное сопротивление обычной схемы с общим истоком достигаются без потерь на высоких частотах из-за емкости обратной связи в транзисторе VT1 напряжение сигнала на которой пренебрежимо мало.

Рисунок 1.80 – Схема предусилителя на п- канальном МОП – транзисторе с

двумя затворами

На рисунке 1.80, в каскодной схеме к двум полевым транзисторам в одном корпусе, есть конструкция с одним каналом и двумя затворами. Таковым является МОП – транзистор с двумя затворами, иногда применяемый для усиления на высоких частотах. МОП – транзистор с двумя затворами представляет собой твердотельный эквивалент лампового тетрода ( с экранной сеткой ) ; затвор служит электростатический экран между стоком и затвором, приводя таким образом к значительному уменьшению ёмкости обратной связи до столь малой величины, равной ламповому триоду.

Вопросы для самопроверки

1. Какие методы применяют для расширения полосы усиливаемых каскадом частот ?

2. Нарисуйте схему каскодную и поясните принцип её работы.

3. Нарисуйте принципиальную схему каскада с низкочастотной коррекцией и поясните принцип её действия.

4. Нарисуйте принципиальную схему широкополосного каскада с параллельной высокочастотной коррекцией индуктивностью и поясните

169

принцип её действия.

5. Нарисуйте принципиальную схему низкочастотной коррекции обратной связи и поясните принцип её действия.

6. Нарисуйте принципиальную схему транзисторного широко­полосного каскада с эмиттерной коррекцией и поясните принцип её действия.

7. Зависит ли площадь усиления широкополосного транзисторного каскада от сопротивления коллекторной нагрузки и почему ?

8. Приведите способы уменьшения эффекта Миллера?

9 Какой вид имеет семейство нормированных частотных характеристик в

области низших частот для каскада с низкочастотной коррекцией и при

каком условии схема имеет наилучшую частотную характеристику ?

10 Какой вид имеет семейство нормированных переходных характеристик в

области больших времен каскада с коррекцией цепочкой С_ф R_ф ?

Напишите усло­вие, при котором начало переходной характеристики в

области больших времен параллельно горизонтальной оси.

11 При каком условии каскад с параллельной высокочастотной коррекцией

индуктивностью имеет наилучшую частотную характеристику без

подъема и при каких условиях переходная характеристика в области

малых времен не имеет выброса?

12 Что называют критическим выбросом и чему он равен для схемы

парал­лельной высокочастотной коррекцией индуктивностью?

13 Какие достоинства и недостатки имеет схема с параллельно – последова-­

тельной (сложной) высокочастотной коррекцией индуктивностью? При

каких условиях эта схема дает наибольший эффект?

14 Нарисуйте каскодную схему с транзисторами и назовите ее основные

достоинства и область применения.

Примеры задач до темы лекции 11

Задача 1

Определите площадь усиления резисторного каскада на биполярном транзисторе, если коэффициент усиления усилителя

Кср = 100 , верхняя граничная частота усиления равна f_гр.в.= 14 кГц.

Решение : Площадь усиления каскада равна

П = Кср· f_гр.в ,

П = 100 · 14· 10³ = 1400· 10³.

Задача 2

Рассчитаем данные широкополосного каскада ( рисунок 1.74 ) с

170

низкочастотной корректирующей цепочкой R_фС_ф, работающего на высокоомную нагрузку (R_г >R<R_н) и имеющего R = 1000 Ом, R_Н=10⁶ Ом, допустимое падение

напряже­ния на Rф, равное U_ф=6 В, и постоянную составляющую тока выходной цепи I_о=3 мА. Относительное усиление каскада У_н на низшей частоте f_н = 20 Гц должно быть равно 1,12 (подъем в 1 дБ).

Решение :

1 Определим R_ф и необходимый коэффициент низкочастотной коррекции b:

R_ф = U_ф / I_о ,

R_ф = 6 /3 10^-3 = 2000 Ом,

b = R / R_ф ,

b = 1000 /2000 = 0,5

Если каскад предназначен для усиления гармонических сигналов, то

вос­пользуемся при его расчете семейством нормированных частотных характеристик для b = 0,5, приведенных на рисунок 1.81,а. Для того чтобы получить наилучшую ре­зультирующую характеристику, выберем на этом семействе характеристику с максимальным подъёмом в 1,2—1,5 раза больше заданного; такая характери­стика соответствует m=0,9. По этой характеристике определим, что Y_н=1,12 имеет место при Х=2,1, откуда найдем необходимые значения С и С_ф:

С = Х / 6,28· f· R_н ,

С = 2,1 / 6,28 ·20· 10⁶ = 0,0167·10^-6 Ф = 0,0167 мкФ≈0,02 мкФ;

С_ф = m·С·R_н / R = m ·Х / 6,28· f_н ·R ,

С_ф = 0,9· 2,1 / 6,28· 20· 1000 = 0,015 ·10^-3 = 15 мкФ

Резистор R_ф, через который протекает ток 3 мА, должен быть взят на мощ­ность 0,12 Вт, а рассчитанные конденсаторы — на рабочее напряжение не ме­нее напряжения питания каскада Е. Вследствие округления рассчитанных зна­чений емкостей и резисторов до стандартных частотная характеристика каскада на нижних частотах несколько изменится. Но так как выбранная характеристи­ка для m = 0,9 имеет подъем больше заданного в условии задачи, при наладке каскада характеристику легко привести к заданной небольшим изменением ре­зистора R_H (или резистора утечки сетки R_g в случае работы на входную цепь следующей лампы). Увеличивая R_н, можно увеличить подъем частотной харак­теристики каскада на низшей частоте, а уменьшая R_н уменьшить его.

Если же каскад предназначен для усиления импульсных сигналов с наибольшей длительностью τ_и.макс=10^-8 с при изменении амплитуды вершины ±3%, то для расчета следует воспользоваться семейством нормированных

171

пере­ходных характеристик, изображенных на рисунок 1.81,б. Вначале надо выбрать кри­вую, при которой получается подъем 3% (y_макс=1,03); из рисунка видим, что она соответствует m=0,8. По этой кривой находим х=0,82, соответствующее уменьшению амплитуды на 3% (y_т=0,97), и определяем необходимые значения С и Сф:

С = τ_и.макс /х· R_н ,

С = 10^-3 / 0,82 10⁶ = 1,22 10^-9 Ф,

С_ф = m ·τ_и.макс /х· R_н ,

С_ф = 0,8· 10^-3 / 0,82· 10³ = 1· 10^-6 Ф.

При отклонении спада или подъема .плоской вершины от расчетных значе­ний вследствие неточностей расчета и допусков на детали их можно подогнать под расчетные небольшим изменением Rm.

Рисунок 1.81 - Семейство нормированных частотных ( а) и переходных (б) характеристик каскада с низкочастотной коррекцией цепочкой С_фR_ф

Задача 3

Рассчитаем данные широкополосного транзисторного каскада с параллельной высокочастотной коррекцией индуктивностью ( рисунок 1.73 ), имеющего

частот­ную характеристику с наибольшим подъемом У_макс = 1,1 на частоте

f_B=5-10⁶ Гц и амплитуду выходного сигнала U_{вых m} = ±25 В; каскад работает на модулятор кинескопа, имеющего С_н = 4 пФ.

Решение :

1 Если входную емкость высокочастотного транзистора, который будет

172

ис­пользован в каскаде, ориентировочно принять равной 4 пФ, а емкость монтажа

6 пФ, то емкость, нагружающая каскад, окажется равной сумме:

С₀= С_вых+ С_м+С_н = 4 + 6 + 4 = 14 пФ.

2 По графикам рисунок 1.82, а найдем, что характеристика, имеющая Y_макс = 1,1, соответствует а = 0,6; по этой характеристике находим, что Y_макс = 1,1 имеет место при Х=0,8, тогда необходимое значение

R = Х / 6.28· f_в·C_о ,

R = 0,8 / 6,28 5 10⁶ 14 10^-12 = 1800 Ом ,

3 Для получения на таком сопротивлении U_{m макс} =±25 В необходимая амплитуда тока сигнала в выходной (коллекторной) цепи

I _вых._m = U_mмакс / R ,

I _вых._m = 25/1800=13,9 • 10^-3 А.

4 Тогда ток покоя цепи коллектора потребуется порядка

I _ко ≈ 1,1 I _{вых. m} ,

I _ко ≈ 1.1 13,9 10^-3 ≈ 0,016 А.

5 Выбираем для рассчитываемого каскада высокочастотный транзистор,

ко­торый обеспечит и такой ток покоя, и заданную амплитуду выходного

напряже­ния. Этим требованиям удовлетворяет транзистор типа КТ602А, имеющий h_{21э мин} =20, h_{21э макс} =80; I₀к_макс = 75 мА; U_{кэ макс}=100 В; Р _кмакс = 0,85 Вт; f_Т=150 МГц; С_к=4 пФ.

6 По выходным характеристикам транзистора для макси­мального значения тока

I _кмакс = I _ок + I _{вых. m} ,

I _кмакс = 16 ·10 ^-3 + 13,9· 10^-3 = 30 ·10 ^-3 А.

Определяем остаточное напряжение U_ост = 10 В и, взяв запас по напряжению U'_ост =5 В,

7 Найдем на­пряжение покоя между выходными электродами транзистора, обеспечивающее заданное напряжение выходного сигнала:

U₀= U_ост + U_{вых m} + U'_ост ,

U₀ = 10+25+5=40 В.

173

8 Так как мощ­ность, выделяемая в транзисторе,

Р_т = U₀ ·I _ко ,

Р_т = 40 16 10^-3 = 0,64 Вт

Радиатор для транзисто­ра не обязателен.

9 Необходимое напряжение питания каскада при падении на­пряжения на резисторе эмиттерной стабилизации U_э = 5 В будет

E=U₀+U_э+ I_ок R ,

Е = 40+16 ·10^-3+5 ≈ 74 В.

10 Требуемая индуктивность корректирующего дросселя определится выражением

L= a· C₀ ·R²

L =0,6·14· 10^-12 ·1800² =27 мкГн.

Так как емкость монтажа известна лишь приближенно, для подгонки

ча­стотной характеристики каскада к расчетной дроссель следует снабдить

подстроечным сердечником,, позволяющим изменять его, индуктивность на ±10… 15%.

Если же каскад предназначен для усиления импульсных сигналов обеих полярностей с U_выхm=25 В при времени установления τ_y=2·10^-8 с и критиче­ском выбросе (б_кр=1%), то для расчета каскада воспользуемся рисунок 1.82,в. В на­чале по кривым этого рисунка для δ=1% находим х_у= 1,31 и а=0,35, затем рассчитываем элементы схемы каскада:

R = τ_y / х_у ·С_о ,

R = 2 10^-8 / 1,31 14 10^-12≈ 1100 Ом,

L = а· Со ·R² ,

L = 0,35· 14 ·10^-12 ·1100² =5,9 10^-6 Гн.

174

а - семейство нормированных частотных характеристик ;

б - семейство нормированных переходных характеристик ;

в – зависимость х_у , Y_макс , δ от а

Рисунок 1.82 - Параллельная высокочастотная коррекция индуктивностью

Задачи для самостоятельной работы

1 Рассчитаем данные широкополосного каскада ( рисунок 1.74 ) с

низкочастотной корректирующей цепочкой R_фС_ф, работающего на высокоомную нагрузку (R_г >R<R_н) и имеющего R = 2000 Ом, R_Н=10⁶ Ом, допустимое падение

напряже­ния на Rф, равное U_ф=10 В, и постоянную составляющую тока выходной цепи I_о=5мА. Относительное усиление каскада У_н на низшей частоте f_н = 15 Гц должно быть равно 1,15 (подъем в 2 дБ).

2 Рассчитаем данные широкополосного транзисторного каскада с параллельной высокочастотной коррекцией индуктивностью ( рисунок 1.73 ), имеющего

частот­ную характеристику с наибольшим подъемом У_макс = 1,3 на частоте

f_B=8-10⁶ Гц и амплитуду выходного сигнала U_{вых m} = ±20 В; каскад работает на модулятор кинескопа, имеющего С_н = 6 пФ.

3 Определите площадь усиления резисторного каскада на биполярном транзисторе, если коэффициент усиления усилителя Кср = 100 , верхняя граничная частота усиления равна f_гр.в.= 14 кГ

Литература

1. Гольцев В.Р., Богун В.Д., Хиленко В.И. Электронные усилители -М.:

Стандарты, 1990. с.150.,.183.

2. Федосеева Е.О. Усилительные устройства киноустановок. М.: Искусство,

1979.-255 с., с.198…199.

3 Цыкина А.В. Электронные усилители: Учеб. пособие для техникумов

связи, 1982. – 288 с., с.184…200.

175

Лекция 12

Экспресс - проверка знаний пройденного материал :

1 Нарисуйте схему резисторного каскада с внутренними ёмкостями транзистора

2 Нарисуйте принципиальную схему каскодного выходного каскада

широкополосного усилителя

3 Нарисуйте параллельную высокочастотную коррекцию индуктивностью

4 Нарисуйте низкочастотную коррекцию цепочкой С_фR_ф

5 Нарисуйте схему принципиальную низкочастотной коррекции

6 Нарисуйте эмиттерную высокочастотную коррекцию

После изучения лекции 12 студент должен знать: особенности построения усилителей на интегральных микросхемах , усилителей класса D.

Уметь: нарисовать схему усилителя класса D.

План ( логика ) изложения материала