Лекция 9

Широкополосные усилители

Широкополосными усилителями называют устройства обеспечивающие усиление сигналов в широком диапазоне частот. То есть отношение f_в/f_н составляет порядка 10³ … 10⁶.

Таким образом, при построении широкополосных усилителей пред разработчиком РЭА встаёт две основных задачи: во-первых, обеспечение достаточно низкой f_н, во-вторых, обеспечение достаточно высокой f_в. Так как в широкополосных усилителях применяют, как правило, непосредственную или ёмкостную связь между каскадами, то первая задача решается относительно просто, путём выбора соответствующих конденсаторов в цепях межкаскадной связи. Вторая задача связана с обеспечением высокой верхней граничной частоты усиления. На этот параметр каскада влияют в первую очередь входные и выходные ёмкости транзисторов, их уменьшение или ограничение их влияния и составляет основную проблему при построении широкополосных усилителей.

Существует три основных способа построения широкополосных усилителей и каскадов: высокочастотные соединения каскадов, использование обратной связи и корректирующие цепи (частотно-зависимые ОС).

1. Высокочастотные соединения каскадов

Каскад в схеме с ОЭ обеспечивает наибольшее усиление, но вместе с тем обладает существенной входной ёмкостью. f_в такого каскада определяется, в том числе, и произведением R_ГC_ВХ. Для уменьшения величины этого произведения необходимо, во-первых, уменьшать величину входной ёмкости транзистора, во-вторых, уменьшать выходное сопротивление источника сигнала.

Уменьшение входной ёмкости транзистора (а заодно и выходной) может быть достигнуто путём выбора более высокочастотного транзистора, с меньшими значениями ёмкостей коллекторного и эмиттерного переходов.

Уменьшение выходного сопротивления источника сигнала может быть достигнуто путём использования каскада, обладающего низким выходным сопротивлением, например с ОК.

В нижеприведённой схеме реализовано каскадное соединение ОК-ОЭ-ОК. За счёт низкого (а кроме того, имеющего индуктивную реактивную составляющую) выходного сопротивления первого каскада ОК удаётся добиться малой постоянной времени входной цепи =R_{ВЫХ_ОК}C_{ВХ_ОЭ}, и, следовательно, высокой верхней граничной частоты усиления. Второй каскад ОЭ обеспечивает достаточно высокий коэффициент усиления по мощности. Третий каскад по схеме ОК обладает малой входной ёмкостью и может служить буферным усилителем для следующего каскада, например, с ОЭ. Благодаря тому, что коэффициент усиления ОК равен единице, отпадает необходимость использовать разделительную ёмкость, реализуется непосредственная связь между каскадами, рабочая точка третьего каскада задаётся выходным постоянным напряжением (напряжением на коллекторе) второго каскада.

Рис. 1

В подобном усилителе так же можно применить в качестве второго каскада каскад в схеме с ОБ. Благодаря очень низким собственным входным сопротивлению и ёмкости удаётся ещё сильнее уменьшить =R_{ВЫХ_ОК}C_{ВХ_ОБ}, и увеличить полосу пропускания усилителя. Но из-за малости входного сопротивления схемы ОБ несколько падает коэффициент усиления по напряжению.

При использовании подобных схем удаётся достичь f_в усилителя на уровне 0,1 … 0,2 от собственной граничной частоты транзистора f_Т.

2. Использование ОС в широкополосных усилителях

Так же для расширения полосы пропускания используются частотно-независимые ООС.

Структурная и принципиальная схемы усилительного каскада с ОЭ при ООС по напряжению приведена ниже.

Цепь обратной связи представлена двухполюсником Rос, Соc. Для описания общих свойств данного устройства удобно пользоваться системой Y-параметров. Если [Y]к – матрица Y-параметров усилительного каскада без ОС, [Y]ос – матрица Y-параметров цели ОС, то матрица Y-параметров усилительного устройства, охваченного ОС, равна:

,

,

.

Рис. 2

В таблице приведены выражения для основных параметров усилительного каскада без обратной связи и с ОС.

Таблица

Параметр	Без ОС ()	С ООС
Ku
Yвх	y11
Yвых	y22
KJ
KE

Величина факторов обратной связи F₁ и F₂, используемых в этой таблице, определяется следующим образом:

,

,

где S – крутизна транзистора;

Следует иметь в виду, что ООС влияет на те параметры и ха­рактеристики усилителя, которые определяются элементами каскада, охваченными петлей ОС.

В данном случае рассматривается случай частотно-независимой ООС. Для такой схемы это обеспечивается выбором величины емкости связи Сос из следующего условия:

.

В этом случае обратная связь по напряжению уменьшает постоянную времени усилителя в раз:

,

где – постоянная времени транзистора;

– коэффициент усиления по напряжению усилителя с ООС.

Фазовый сдвиг между входным и выходным сигналами при введении в усилитель ООС уменьшается в F раз:

.

Коэффициент передачи частотно-независимой ООС и величина сопротивления цепи ОС Rос, могут быть найдены используя следующие выражения

; ,

где K₀ = SR₀ – коэффициент усиления каскада без ОС в области средних частот.

Следует учитывать, что цепь обратной связи не должна шунтиро­вать выходную цепь усилительного каскада, т.е.

.

Далее находим величины факторов ООС F₁, F₂. Согласно выражениям, приведенным, вычисляем:

• коэффициент усиления каскада, охваченного ООС, равен коэффициенту усиления каскада без ООС

• сквозной коэффициент усиления каскада с ООС

• входное сопротивление каскада

• выходное сопротивление каскада

Ниже приведены ожидаемые амплитудно-частотные характеристики усилительного каскада для K_U (а) и K_Е (б) без ООС и с ООС.

Постоянная времени данного каскада в области верхних частот для сквозной АЧХ равна

,

а верхняя граничная частота

.

Постоянная времени каскада в области нижних частот и соответственно нижняя граничная частота также изменяются в F раз при условии, что источник низкочастотных искажений (Сс2) находится внутри петли ОС, а именно

Рис. 3

3. Коррекция в широкополосных усилителях

Следует рассматривать два вида коррекции АЧХ: при помощи индуктивности, и при помощи частотно зависимой ОС.

При индуктивной коррекции в цепь коллектора включается индуктивность, которая в области высоких частот осуществляет компенсацию влияния ёмкости нагрузки в каскаде.

Рис. 4

При помощи частотно-зависимой ООС организуется коррекция АЧХ усилителя (элементы коррекции – Rос, Cос), в данном случае использована высокочастотная эмиттерная коррекция.

Рис. 5

Ее достоинства – простота, малогабаритность, эффективная коррекция как собственной инерционности транзистора, так и инерционности нагрузки, стабилизация режима и параметров каскада, увеличение входного сопротивления, возможность увеличить площадь усиления каскада. Недостаток – уменьшение коэффициента усиления в области средних частот.

Элементы коррекции Rос, Cос создают в каскаде частотно-зависимую отрицательную обратную связь, глубина которой уменьшается с ростом частоты, что ведет к относительному возрастанию коэффициента усиления, росту верхней граничной частоты и появлению подъема в частотной характеристике в области высоких частот, уменьшению времени установления и появлению выброса в переходной характеристике.

Рис. 6

Типовые величины: R_ос – десятки Ом, C_ос – десятки пФ – десятки нФ, в зависимости от диапазона частот и остальных элементов схемы каскада. Но всегда _Сос на несколько порядков меньше блокировочной емкости схемы с эмиттерной стабилизацией.

Физическая эквивалентная схема каскада показывает, что с ростом частоты за счет уменьшения сопротивления возрастает доля входного напряжения, выделяющаяся на эмиттерном переходе (U_П) и соответственно растет ток в выходной цепи I_К = S_П U_П, где S_П – внутренняя крутизна транзистора

.

Соответственно возрастает и коэффициент усиления. Точный расчет характеристик усложнен необходимостью учитывать вклад нескольких компонент (емкости нагрузки, выходной емкости транзистора, входной проводимости, крутизны), которые имеют различный характер зависимости от частоты и неодинаковую относительную величину в разных каскадах.

При использовании высокочастотного транзистора, когда CоRо>>, где  – собственная постоянная времени транзистора; Rо = Rк||Rн||Ri – эквивалентная постоянная времени транзистора; Со = Сн + С вых + См – эквивалентная емкость нагрузки

,

можно приближенно считать, что оптимальная частотная характеристика будет получена при . (Сос – «оптимальная» емкость высокочастотной коррекции, Со = Сн + Свых + См).

8