Глава VII. Широкополосные каскады

VII.1. Основные сведения о широкополосных усилителях.

В современной радиоэлектронике нередко требуется усиление электрических сигналов, имеющих очень широкую полосу частот – от единиц или десятков герц до многих сотен мегагерц. Усилители, обеспечивающие усиление сигналов с такими спектрами частот в своём составе, называются широкополосными усилителями (ШПУ).

Иногда ШПУ называют видеоусилителями (ВУС) или импульсными усилителями. Сигналы, усиливаемые видеоусилителями, называются видеосигналами. Такую полосу пропускания имеют усилители вертикального отклонения в электронных осциллографах для наблюдения наносекундных импульсов, усилители телевизионных сигналов, видеоусилители компьютеров, усилители радиолокационных станций, работающих с короткими зондирующими импульсами и т.п.

В отличие от слуха, зрение человека весьма чувствительно к изменению фазовых соотношений составляющих видеосигналов. Поэтому к ВУС, наряду с требованиями малых частотных и нелинейных искажений, предъявляются жёсткие требования в отношении фазовых искажений.

Наилучшим образом этим требованиям удовлетворяют резисторные усилители, обладающие очень хорошими частотными, фазовыми и переходными характеристиками. Тем не менее, АЧХ усилительного каскада иногда необходимо дополнительно расширить в сторону низких или высоких частот, а часто – и в обе стороны. В некоторых случаях требуется получить подъём или «завал» в той или иной области АЧХ. Для таких изменений частотной и фазовой характеристик ВУС используют цепи, включаемые в каскад и называемые корректирующими цепями.

(Основная идея корректирующих цепей заключается в том, чтобы величина нагрузки усилительного каскада изменялась с изменением частоты усиливаемого сигнала).

Цепи, расширяющие полосу пропускания каскада в сторону низких частот, называют цепями (схемами) низкочастотной коррекции.

Цепи, расширяющие полосу пропускания каскада в сторону высоких частот, называют цепями (схемами) высокочастотной коррекции.

Для широкополосного усиления применяют специальные транзисторы, имеющие высокую граничную частоту и называемые высокочастотными. Транзисторы в ШП-каскадах обычно включают с общим эмиттером (общим истоком), лампы – с общим катодом.

Очень важным показателем ШП-каскада, характеризующим качество как самого каскада, так и схемы используемой в нём высокочастотной коррекции, является произведение сквозного коэффициента усиления напряжения каскада в области средних частот на его верхнюю граничную частоту f_{В. ГР}, пропорциональное площади АЧХ и называемое площадью усиления каскада П:

П = К*_СРf_В.ГР ……………………………… (7.1).

Сквозным коэффициентом усиления напряжения К* называется отношение выходного напряжения каскада к ЭДС источника сигнала Е_ИСТ:

К* = U_ВЫХ. / Е_ИСТ.

Всегда стремятся к тому, чтобы площадь усиления ШПУ была как можно больше.

VII.2. Низкочастотная коррекция.

Для расширения полосы пропускания усилительного каскада в сторону низких частот, т.е. для улучшения его АЧХ на низких частотах можно использовать последовательную корректирующую цепочку R_НК, C_НК

включив её параллельно входной цепи каскада (рис.7.1).

Рис.7.1. Схема низкочастотной коррекции цепочкой R_НК, C_НК.

Принцип действия схемы рис.7.1 в том, что ВЧ-составляющие будут шунтироваться корректирующей цепочкой R_НК,C_НК на корпус, а НЧ-составляющие без значительного ослабления будут проходить на вход усилителя через переходный конденсатор С. Величина общего сопротивления цепочки R_НК,C_НК рассчитывается таким образом, чтобы для низких частот она была значительно больше общего сопротивления входной цепи каскада:

(R_НК + 1/ С_НК)  (1/ С + R_ВХ) ………………… (7.2).

Кроме того, необходимо, чтобы реактивное сопротивление переходного конденсатора Х_С на низких частотах было значительно меньше входного сопротивления усилительного каскада:

1/ С  R_ВХ. ………………………………….. (7.3).

Ту же задачу решает цепочка развязывающего и сглаживающего фильтра R_Ф, C_Ф в выходной цепи транзистора (рис.7.2).

Рис.7.2. Схема низкочастотной коррекции развязывающей и сглаживающей

цепочкой R_Ф,C_Ф.

Принципы действия цепей коррекции схем рис.7.2 и рис.7.1 аналогичны. Ёмкость конденсатора С_Ф выбирается такой, чтобы на средних, а тем более на высоких частотах его реактивное сопротивление было ничтожно мало по сравнению с величиной сопротивления нагрузки R_К в цепи коллектора. В этом случае на средних частотах нагрузкой усилителя будет являться резистор R_К, определяющий усиление каскада на средних частотах. При понижении частоты сигнала реактивное сопротивление С_Ф будет расти, что приведёт к увеличению полного сопротивления нагрузки коллекторной цепи. Это, в свою очередь, вызовет увеличение коэффициента усиления каскада на низких частотах, которое падает из-за влияния разделительных конденсаторов и других цепей. При правильном выборе R_Ф и С_Ф такая схема коррекции позволяет расширить полосу пропускания резисторного каскада в сторону низких частот в 3  5, а иногда и в десятки раз, добиться того, что частотная характеристика каскада будет не падать, а даже подниматься на низких частотах (рис.7.3), что иногда необходимо для исправления частотной характеристики других каскадов или получения нужных свойств усилительного устройства.

Рис.7.3. Частотные характеристики резистивного каскада на нижних

частотах:

1 – без коррекции; 2 – с коррекцией цепочкой R_Ф, C_Ф; 3 – то же

при уменьшении ёмкости конденсатора С_Ф.

Такая схема коррекции удобна ещё и тем, что цепочка R_Ф,C_Ф одновременно выполняет роль как развязывающего, так и сглаживающего фильтра, защищающего каскад от паразитной ОС через источник питания и сглаживающего его пульсации напряжения. Схема рис.7.2 применяется чаще, так как не требует добавления в каскад дополнительных деталей, увеличивающих стоимость схемы и снижающих её надёжность и усиление.

В каскадах с трансформаторной межкаскадной связью цепочка R_Ф,C_Ф не используется, так как она не корректирует АЧХ, а вносит дополнительные искажения.