Лекция №7 Импульсные и широкополосные усилители.

7.1. Общие сведения и принципы построения импульсных усилителей.

Импульсные и широкополосные усилители предназначены для уси­ления импульсных сигналов. Импульсные сигналы подразделяются на радиоимпульсы, используемые в радиолакационных станциях, и видиоимпульсы, применяемые в видеоаппарутуре. Основной характеристикой импульсных усилителей является переходная характеристика, рис.7.1.

Рис.7.1. Переходная характеристика импульсных усилителей.

Переходная характеристика – это зависимость мгновенного значения выходного напряжения от времени при подаче на вход единичного импульса

U_вх= (7.1)

К импульсным усилителям предьявляются жесткие требования по искажению усиливаего сигнала. Искажения усиленного сигнала в импульсных усилителях определяются количественными показателями переходной характерисики, а именно, временем установления t_у и спадом плоской вершины Δ_сп. Передний фронт импульса формируется высокочастотными составляющими. Чем больше верхняя граничная частота f_в, тем меньше искажение переднего фронта t_у. Чем меньше нижняя граничная частота f_м, тем меньше искажение усиленного сигнала в области плоской вершины импульса Δ_сп. Следовательно, для безыскаженного усиления сигналов импульсные усилители должны иметь широкую полосу пропускания от единиц Герц до десятков мегаГерц. Поэтому видеоусилители являются широкополосными.

В широкополосных усилителях применяются резисторные каскады с дополнительными цепями коррекции, построенные на специальных высокочастотных транзисторах с большой площадью усиле­ния. Площадью усиления называют произведение коэффициента усиления на средних частотах К₀ на верхнюю граничную частоту

Площадь усиления опре­деляется параметрами S и C_о, которые задаются в справочниках.

В каскадах на биполярных транзисторах площадь усиления из-за внутрен­ней обратной связи не остается постоянной, поэтому при выборе биполярного транзистора лучше руководствоваться предельной частотой f_h21б или f_h21Э.

Как известно, резистивные схемы усилителей могут обеспечить широкую полосу пропускания с равномерной частотной характеристи­кой. Надо иметь в виду, что верхняя граничная частота зависит от выбора сопротивления нагрузки .В целях увеличения верхней граничной частоты в импульсных усили­телях сопротивление нагрузки выбирают небольшим:

Естественно, при этом коэффициент усиления импульсных усилителей получается также небольшим. Поэтому импульсные усилители состоят, как правило, из нескольких каскадов.

Принципиальная схема одного каскада импульсного усилителя без элементов коррекции по внешнему виду ничем не отличается от схемы резистивного усилителя низкой частоты, рис.7.2.

Рис.7.2. Импульсный усилитель.

7.2. Анализ импульсного усилителя в области малых времен

Если при анализе предварительных усилителей низкой частоты нас интересовали частотные характеристики и частотные искажения, то в импульсных усилителях основной характеристикой является пе­реходная характеристика и ее количественные показатели. Поэтому для анализа импульсных усилителей применяется временной метод. При этом в целях упрощения анализа рассматривают отдельно переходную характеристику в области малых времен и в области больших времен.

Область малых времен - это область больших частот, так как . Следовательно, для анализа переходной характеристики в области малых времен необходимо рассматривать эквивалентную схе­му усилителя в области высоких частот, рис.7.3., где E=SU_вхR_н

Рис.7.3.Эквивалентная схе­ма усилителя в области ВЧ.

Изменение после подачи на вход скачка напряжения определяет­ся процессом заряда емкости C₀. Разделительная емкость С1 имеет большой номинал и заряжается значительно медленнее. Следовательно, за время уста­новления t_у разделительная емкость С1 почти не успевает заря­диться и напряжение на ней близко к нулю. Поэтому влиянием С1 можно пренебречь и заменить коротким замыканием. Влиянием и R1 можно пренебречь, так как в импульсных усилителях выполняются условия .

При подаче на вход единичного импульса (Uвх=1) выходное напряжение на емкости будет изменяться по экспоненте:

(7.2)

С учетом того, что SR_н=K₀, нормированная переходная характеристика равна

(7.3)

Согласно выражению (7.3) можно построить график переходной характеристики в области малых времен (рис.7.4).

Рис.7.4. График переходной характеристики в области малых времен.

Основным количественным параметром импульсного усилителя в области малых времен является время установления, в течение кото­рого возрастает от уровня 0,1 до 0,9. Определим время установления:

(7.4)

Из выражения (7.4) видно, что время установления определяет­ся элементами C₀ и . Для уменьшения времени установления необ­ходимо понизить номинал паразитной емкости и сопротивления нагрузки. В последнем случае уменьшается коэффициент усиления.

Время установления зависит от верхней гра­ничной частоты:

(7.5)

Время установления многокаскадного усилителя определяется выражением:

(7.6)

Если известны количество каскадов и общее время установле­ния, то легко определить время установления одного каскада

(7.7)