9.7.4. Динамические искажения в схемах с ос

Важной проблемой, с которой приходится сталкиваться в оконечных и других звеньях ШУ, работающих при сигналах повышенной интенсивности, является борьба с искажающим влиянием на сигналы нелинейности передаточной ПХ и ВАХ транзисторов. Одним из направлений этой борьбы является использование в каскадах, работающих при сигналах повышенной интенсивности, схем включения транзистора с дополнительным резистором R_γ в эмиттерной цепи. На первый взгляд повышения линейности СХП в этих каскадах можно добиться с помощью глубоких ООС, например, путем применения включений транзистора по схеме с ОК или ОЗ. Но простейшее однотранзисторное построение каскада с ОК по типу, представленному на рис …. Не обеспечивает достижения желаемого результата. Обусловлено это тем, что при работе таких и подобных им схем с глубокими ОС могут возникать так называемые динамические нелинейные искажения.

Рис…. Распределение сигнальных разностей

потенциалов в схеме с ОК

На примере простейшего каскада с ОК (см. рис…) рассмотрим механизм возникновения этих искажений, при этом будем учитывать, что характер зависимости тока коллектора от разности потенциалов база-эмиттер транзистора не зависит от способа его включения в схему каскада. Способ включения, в первую очередь, определяет характер преобразования входного напряжения u_вх в разность потенциалов u_бэ, управляющего протеканием тока в коллекторно-эмиттерной цепи. В рассматриваемой схеме с ОК эта разность потенциалов u_бэ = u_вх–u_вых = u_вх(1–K), где K – коэффициент передачи рассматриваемой схемы, K = u_вых/u_вх. В основной частотной области коэффициент передачи K вещественен и имеет лишь незначительно отличающееся от единицы значение, в результате чего разность потенциалов u_бэ ≈ 0 даже при относительно больших значениях напряжения u_вх. Но из-за наличия в схеме емкости C_п, шунтирующей выход каскада, напряжение u_вых при быстрых изменениях сигнала u_вх не успевает следить за его изменениями. В результате разность потенциалов u_бэ в некоторые моменты времени может приобретать значения, вызывающие выход рабочей точки за пределы усилительной области ВАХ транзистора и соответственно появление искажений сигнальных изменений.

На рис…. приведены эпюры сигнальных напряжений, наблюдаемых в разных точках схемы, показанной на рис…., когда на ее вход воздействует импульсный сигнал положительной полярности с амплитудой в один вольт (рис…). рассмотрим отдельно реакцию этой схемы на передний и задний фронты импульса. В качестве примера одной из основных характеристик протекающих при этом процессов используем эпюру временных изменений (рис…) разности потенциалов u_бэ(t) = u_вх(t)–u_вых(t).

Во время установления переднего фронта выходного импульсного сигнала u_вых(t) разность потенциалов u_бэ(t) приобретает значения, существенно большие, чем установившееся напряжение u_бэ0, отвечающее усилительному режиму работы транзистора. Полярность разности потенциалов u_бэ(t) такова, что она вызывает увеличение токов в транзисторе по сравнению с их исходными значениями. В результате того, что напряжение u_бэ(t) имеет в начальные моменты времени большие значения, транзистор входит в режим насыщения (режим замкнутого ключа). В этом режиме сопротивление участка цепи коллектор-эмиттер имеет очень малое значение. Вследствие этого происходит быстрая перезарядка паразитной емкости C_п до установившегося значения u_выхm.во время установления заднего фронта импульса (см. рис…) значение и полярность разности потенциалов u_бэ(t) таковы (рис…), что в течение некоторого времени протекание тока через транзистор полностью прекращается (транзистор закрывается). В результате этого перезарядка паразитной емкости C_п до исходного нулевого значения происходит только через обычно высокоомный резистор нагрузки R_н и процесс перезарядки медленно протекает до момента t₂ (см. рис….) когда «закрывающее» напряжение u_бэ(t) снижается до значения, при котором в транзисторе начинает протекать ток. С этого момента скорость процесса перезарядки начинает быстро возрастать, в результате чего он быстро заканчивается.

Проведенное рассмотрение показывает, что схема с ОК способна быстро реагировать на имеющиеся с большой скоростью перепады сигнальных напряжений при условии, что эти перепады имеют полярность, соответствующую увеличению токов в транзисторе. Другими словами, в случае прохождения сигнала через схему с ОК на транзисторе n-p-n-структуры могут возникнуть искажения («затягивания») заднего фронта импульса, а на транзисторе p-n-p – переднего.

Рассмотренные искажения называются динамическими. Они могут возникнуть в любой системе с запаздывающей ОС, организованной как ООС. Условием возникновения этих искажений является наличие не только указанной ООС, но и быстрых изменений сигнального напряжения на величину, превышающую протяженность линейного тракта сквозной передаточной характеристики (СПХ) транзистора в направлении, соответствующем уменьшению токов в транзисторе.

Динамические искажения в данной схеме наблюдаются при воздействии не только импульсных сигналов, но и сигналов другой формы, например синусоидальной (рис….). при таком сигнале на участках быстрого его изменения происходит закрывание транзистора, в результате чего выходное напряжение независимо от характера входного сигнала изменяется по экспоненциальному закону, стремясь при этом к своему установившемуся нулевому значению. Указанные изменения протекают до тех пор, пока входной сигнал не вызовет открывание транзистора и не обеспечит работу транзистора в линейном режиме – режиме, при котором выходное напряжение по форме повторяет входное.

Одним из путей снижения динамических искажений является устранение излишней широкополосности участков тракта, предшествующих каскадам с запаздывающей ООС, вследствие чего снижаются предельные значения скорости изменения усиливаемых сигналов. С определенной осторожностью следует применять в оконечных каскадах схему с эмиттерной ВЧ коррекции, т.к. по характеру формирования в ней напряжения u_бэ(t) она во многом подобна каскаду, представленному на рис…. Одним из радикальных путей борьбы с динамическими искажениями является переход на двухтактное построение оконечных каскадов (рис….).

Рис…. Двухтактный усилительный каскад на транзисторах разного типа проводимости