книги из ГПНТБ / Левичев В.Г. Радиопередающие и радиоприемные устройства [учеб. пособие]

Заметим, что в эти уравнения входит только один параметр транзистора (р). При этом он есть в числителе и в знаменателе. Поэтому усилитель работает очень стабильно. Его параметры практически не зависят от температуры.

§7. ВИДЕОУСИЛИТЕЛИ

1.Общие сведения о видеоусилителях

Врадиолокационном приемнике видеоусилитель предназначен для усиления сигналов, имеющих форму периодически повторяю­ щихся прямоугольных импульсов. Такие сигналы получаются на нагрузке детектора. Более точно они называются видеоимпуль­ сами.

Длительность импульсов, действующих на входе видеоусили­ теля, может быть весьма различной. Она изменяется от длитель­

Период повторения усиливаемых импульсов зависит от даль­ ности действия РЛС и от расстояния до обнаруженной цели. Он бывает от десятков микросекунд до единиц миллисекунд.

Амплитуда импульсов на входе видеоусилителя бывает от де­

регулировки усиления. Амплитуда импульсов на выходе видеоуси­ лителя должна быть порядка десятков вольт. Следовательно, тре­

теля заключается в интервале от сотен герц до единиц мегагерц. Следовательно, видеоусилитель является широкополосным.

Для получения широкой полосы пропускания видеоусилителя принимают специальные меры. Они сводятся к коррекции частот­ ной характеристики усилителя в области его верхних и нижних частот. Наличие элементов частотной коррекции типично для боль­ шинства схем видеоусилителей. Только в отдельных схемах кор­

2. Видеоусилители без частотной коррекции

При теоретическом изучении свойств видеоусилителя удобно считать, что на входе его действует одиночный импульс напря­ жения или тока идеальной прямоугольной формы. В этом случае

300

анализ физических процессов и вывод расчетных соотношений по­ лучается простым и наглядным. Так, например, становится хоро­ шо видно, что искажения видеоимпульсов можно оценивать дли­ тельностью фронтов и спадом вершины.

а) В и д е о у с и л и т е л ь на л а м п е

Ламповый видеоусилитель обычно выполняется на пентоде. Его простейшая схема изображена на рис. 2.71. Каскад предна­ значен для усиления импульсов отрицательной полярности. По-

ной емкости лампы, емкости монтажа и входной емкости следую­

До момента t\ на сетке лампы напряжения нет. Через лампу проходит значительный анодный ток. Напряжение на аноде мало. До этого напряжения заряжены паразитная емкость Са и конден­ сатор переходной цепи. На выходе усилителя напряжения нет.

В момент t\ на сетке лампы мгновенно появляется отрицатель­ ное напряжение. Анодный ток резко уменьшается. Однако напря­ жение на аноде лампы мгновенно возрасти не может. Для этого требуется определенное время, в течение которого*происходит за­ ряд емкости £ а . Ток заряда проходит через резистор Поэтому напряжение на аноде лампы возрастает по экспоненциальному за-

301

кону. Данный процесс продолжается в течение времени, равного 5Я&СЯ, и заканчивается в момент t2.

Для ускорения процесса нарастания анодного напряжения не­ обходимо уменьшать емкость Са . Достигается это рациональным размещением деталей и тщательным выполнением монтажа уси­ лителя. Все соединительные провода должны быть максимально короткими, а детали усилителя малогабаритными. Можно также уменьшать величину сопротивления R&, но при этом будет умень­ шаться коэффициент усиления каскада.

и анодный ток резко возрастает. Напряжение на аноде лампы должно уменьшиться, но произойдет это не мгновенно, а в течение

Таким образом, крутизна и длительность фронтов выходных видеоимпульсов зависят от полосы пропускания усилителя в об­ ласти верхних частот, так как

лосы пропускания усилителя от паразитной емкости анодной цепи показана «а рис 2.73. Аналогичная зависимость, но от сопротив­

302

понятие времени нарастания фронта выходного импульса т н * . Это есть условный промежуток времени, в течение которого выходное напряжение нарастает от 0,1 до 0,9 своего установившегося значе­

ния (рис. 2.75).

К

Яа=5к0м

ра = 2,5к0/и

экспоненциальная. Называть эти импульсы прямоугольными можно только условно.

* Вместо термина «время нарастания фронта» часто пользуются термином «длительность фронта». Тогда вместо тн пишут тф (или /ф),

30 3

На выходе усилителя вершина импульсов не является плоской. Она спадает на величину AU, которая зависит от постоянной вре­ мени переходной цели. Если CnRn^^ ( а это условие всегда выполняется), то

На практике спад вершины импульса часто выражается в про­

Для уменьшения спада вершины импульса необходимо увели- • чивать постоянную времени переходной цепи, т. е. расширять по­ лосу пропускания усилителя в области нижних частот, так как

В радиолокационных приемниках для импульсов небольшой длительности допускаемая величина AU бывает около 5—10%' ам­ плитуды.

Полезно заметить, что в составе выходного напряжения усили­ теля нет постоянной составляющей. Поэтому у выходных импуль­ сов площадь над осью времени равна площади под ней. На рис. 2.72 этого не видно, потому что там показан только один им­ пульс, а не последовательность ряда импульсов. Поскольку реаль­ ная скважность импульсов достаточно велика, то все переходные процессы за время паузы между импульсами успевают закончить­ ся. По этой причине каждый видеоимпульс на выходе усилителя начинается от нулевого уровня.

Зависимость спада вершины выходных импульсов от полосы пропускания усилителя в области нижних частот иллюстрируется рис. 2.76, где показаны частотные характеристики для двух значе­

нижних частот. В результате этого спад вершины выходных им­ пульсов уменьшается и их форма приближается к прямоугольной.

Под коэффициентом усиления любого усилителя понимается отношение величины выходного сигнала к величине входного сиг­ нала. Это может быть отношение напряжений или токов. При этом коэффициент усиления только тогда является определенным понятием, когда сравниваемые сигналы имеют одинаковую форму.

304

По этой причине коэффициент усиления видеоусилителя опре­ деляется для синусоидального сигнала средней частоты. Только в первом приближении он равен отношению амплитуды выходных импульсов к амплитуде входных импульсов.

В усилителе на лампе коэффициент усиления определяется по

б) В и д е о у с и л и т е л ь н а т р а н з и с т о р е

Современные высокочастотные транзисторы позволяют исполь­

лителя сводится к выбору подходящего транзистора и требуемой величины сопротивления RK. Затем выбирается исходный режим усилителя. Он зависит от полярности и амплитуды усиливаемых импульсов.

305

При выборе транзистора можно руководствоваться довольно простым критерием. Его предельная частота усиления по току дол­ жна быть в несколько раз больше необходимой верхней граничной

Выбор сопротивления RK производится из двух противоречивых требований, предъявляемых к импульсному усилителю. С одной стороны, необходимо получить максимально возможное усиление,

Рис. 2.77. Схема некорректированного импульсного уси­

скания. Для выполнения первого условия желательно увеличи­ вать сопротивление нагрузки транзистора, а для выполнения вто­ рого условия требуется его уменьшать.

Существенную роль при выборе величины RK играет входное сопротивление следующего каскада, которое для переменных со­ ставляющих коллекторного тока включено параллельно с сопро­

висит режим работы входной цепи усилителя. Параметры выбран­ ного транзистора также оказывают заметное влияние на требуе­

сложной и неточной. Поэтому на практике при проектировании видеоусилителя сопротивление резистора RK часто определяют экс­ периментально. Его величина обычно бывает 500—3000 ом.

Резистор Ro выбирается в зависимости от полярности и ам­ плитуды усиливаемых импульсов. Для этого на семействе КСХ выбранного транзистора строят КДХ и определяют необходимую величину тока базы в режиме покоя. Обозначим этот ток U.a-

306

Если усилитель выполнен на транзисторе р-п-р с общим эмит­ тером и предназначен для усиления положительных импульсов, то точку исходного режима необходимо иметь в верхней части КДХ (рис. 2.78,а). Для этого надо выбрать сопротивление R5 неболь­ шой величины. Это невыгодно не только по энергетическим сооб­ ражениям, но и потому, что при уменьшении Re уменьшается входное сопротивление усилителя.

При отрицательной полярности усиливаемых импульсов точку исходного режима необходимо иметь в нижней части КДХ. В этом случае сопротивление R& должно быть большим.

1Б = ШмкА

1Б = ISOjhkA

1Б = 100мкА

'кдх

=50мкА

Рис. 2.78. Выбор точки исходного режима импульсного усили­ теля в зависимости от полярности входного сигнала:

а — д л я транзистора р — п — р; б — д л я транзистора п — р — п

Если усилитель выполнен на транзисторе п-р-п с общим эмит­ тером, то в зависимости от полярности входных импульсов точка

Рассмотрим физические процессы в усилителе на сплавном транзисторе р-п-р. Схема усилителя изображена на рис. 2.77. Гра­ фики, иллюстрирующие процессы, происходящие в усилителе, изо­ бражены на рис. 2.79.

В исходном режиме (до момента /1) на входе усилителя на­ пряжения нет. На базе транзистора действует небольшое прямое напряжение. Уровень инжекции очень мал. Поэтому токи всех

ное напряжение. Это возможно при наличии определенных усло­ вий. В основном для этого надо иметь малое сопротивление R A . C и малую входную емкость усилителя. Полагаем, что эти условия вы-

307

полняготся. Тогда в момент U происходит резкое увеличение тока эмиттера. Однако ток коллектора в момент 1\ ие изменяется, так как инжектированные дырки ие сразу достигают коллекторного перехода. Требуется определенное время, чтобы они прошли сквозь базу транзистора. Пока это время не истекло, происходит

Рис. 2.79. Процесс усиления прямоугольных видеоим­ пульсов в транзисторном усилителе без коррекции

процесс втягивания большого количества электронов в базу из

и ток эмиттера. Область базы при этом все время остается ней­

* Концентрация дырок в базе резко возрастает, а концентрация электронов практически остается прежней.

308

ширины базы и подвижности инжектированных дырок. Он назы­ вается временем прохождения базы или временем запаздывания сигнала. У сплавных транзисторов это время получается порядка сотых долей микросекунды (десятки наносекунд). Для уменьше­ ния времени запаздывания сигнала необходимо применять тран­ зисторы с возможно меньшей шириной базы.

В момент /2 инжектированные дырки начинают подходить к коллекторному переходу и перебрасываться его электрическим по­

ния этих токов похож на экспоненциальный. Объясняется это тем,

базы может быть заметно больше тока /б.п- Объясняется это по­ вышенным уровнем инжекции.

В .момент t4 входное напряжение исчезает и процесс инжек­ ции прекращается. Ток эмиттера мгновенно спадает до исходного значения. На такую же величину скачком изменяется ток базы. Его направление становится противоположным. Ток коллектора и почти равный ему ток базы остаются неизменными до тех пор, пока происходит процесс ухода основного количества неравновес­ ных носителей заряда из базы. При этом дырки уходят в коллек­ тор, а электроны — через вывод базы. Упрощенно этот процесс называют рассасыванием избыточных дырок.

Продолжительность данного процесса может быть весьма раз­ личной. Это зависит от типа транзистора и режима работы вход­ ной цепи усилителя. В большинстве случаев время рассасывания заметно превышает время запаздывания сигнала. Следствием этого является увеличение длительности выходных импульсов по

неравновесных носителей зарядов и оба тока одновременно умень­ шаются.

Напряжение на коллекторе возрастает, приближаясь к напря­

Из приведенного качественного объяснения физических про­ цессов, происходящих в импульсном усилителе, видно, что при его количественном анализе необходимо учитывать эффект накоп­ ления и рассасывания неравновесных носителей зарядов в базе транзистора. Экспоненциальный характер этих процессов учиты­ вается на эквивалентной схеме усилителя емкостями эмиттерного и коллекторного переходов.

309