§ 4.4. Широкополосные каскады с общим эмиттером

Широкополосные усилители предназначены для усиления электрических сигналов в диапазоне частот от единиц герц до десятков и даже сотен мегагерц.

Как следует из формул (4.32), (4.35), (4.40), для расширения полосы пропускания в области низких частот (уменьшения нижней граничной частоты ) необходимо увеличивать постоянную времени . Увеличение достигается за счет использования максимальных значений емкостей разделительных и шунтирующего конденсаторов , а также сопротивлений в цепях перезаряда этих конденсаторов. Однако при увеличении емкости конденсаторов возрастают их размеры, а сопротивления в цепях перезаряда определяются параметрами транзисторов.

Для расширения полосы пропускания в области высоких частот (увеличении верхней граничной частоты ) необходимо Уменьшать постоянную времени [см. формулу (4.44)]. С помощью высокочастотных транзисторов можно исключить влияние . Дальнейшее повышение возможно за счет уменьшения (при рациональном монтаже) и в коллекторной цепи транзистора.

Однако уменьшение приводит к снижению коэффициента усиления каскада.

Если описанные меры не обеспечивают заданного диапазона рабочих частот усилителя, то используют специальные корректирующие цепи для низких и высоких частот.

Схема усилительного каскада с низкочастотной коррекцией представлена на рис. 4.10, а. Корректирующая цепь в схеме пред. ставляет собой резистор , зашунтированный конденсатором и включенный последовательно с резистором . Эквивалентная схема коллекторной цепи каскада приведена на рис. .

Рис.

На средней частоте емкостное сопротивление близко к нулю и полностью шунтирует резистор . На низкой частоте в коллекторной цепи транзистора имеем эквивалентное сопротивление , причем чем ниже частота, тем больше . Так как определяет усиление каскада, то увеличение компенсирует снижение коэффициента усиления за счет влияния конденсаторов и тем самым расширяется полоса пропускания в области низких частот.

При выполнении неравенств

выражение, характеризующее относительную неравномерность амплитудно-частотной характеристики каскада с низкочастотной коррекцией, можно записать

где .

На рис. 4.11,а по формуле (4.48) в полулогарифмическом масштабе при и различных значениях построено семейство бобщенных амплитудно-частотных характеристик. Из рисунка 0 но, что с уменьшением полоса пропускания усилителя в области низких частот расширяется. Характеристика, построенная и , соответствует характеристике некорректированного каскада, так как при резистор полностью закорочен при любой сколь угодно малой частоте. При , т. е. при , будем иметь оптимальную фазочастотную характеристику, когда фазовый сдвиг между входным и выходным напряжениями равен нулю в наибольшем диапазоне частот (рис. 4.11, б).

В этом случае, а также при возникает перекомпенсация . Увеличение до значения , при котором устраняется перекомпенсация, ухудшит фазочастотную характеристику.

Рис. 4.11.

Устранить перекомпенсацию при можно путем уменьшения q. Чем меньше q, тем эффективнее коррекция. Обычно выбирают , так как дальнейшее его уменьшение за счет увеличения приводит к недопустимым потерям мощности в коллекторной цепи транзистора.

При использовании в качестве усилительных элементов полевых транзисторов расчетные соотношения и выводы, полученные Для широкополосного каскада на биполярном транзисторе, справедливы, так как выполняются, и даже в большей степени, неравенства (4.47), на основании которых выведена формула (4.48).

Принципиальная и эквивалентная схемы каскада с высокочастотной коррекцией даны на рис. Высокочастотная коррекция каскада осуществляется с помощью цепочки , сопротивление которой создает частотно-зависимую отрительную обратную связь по току.

При построении эквивалентной схемы пренебрегаем сопротивлением , так как для создания эффективной отрицательной обратной связи необходимо выполнить условие . С повышением частоты сопротивление , определяющее глубину отрицательной обратной связи, уменьшается и коэффициент усиления каскада возрастает. Таким образом происходит компенсация снижения коэффициента усиления в области высоких частот, обусловленного влиянием параметров транзистора.

Рис. 4.12.

Емкость конденсатора выбирают из условия

где — средняя частота полосы пропускания.

На низких и средних частотах полосы пропускания влиянием емкости можно пренебречь; коэффициент усиления в соответствии с эквивалентной схемой на рис. 4.12,б, где полагаем

Зная глубину, обратной связи , создаваемой резистором на средних частотах, можно найти постоянную времени корректирующей цепи , обеспечивающую оптимальную амплитудно-частотную характеристику при

Высокочастотная коррекция полосы пропускания с помощью цепочки обратной связи наиболее широко применяется в каскадах на биполярных транзисторах, так как отрицательная обратная связь увеличивает температурную стабильность транзисторного каскада. Применяется также высокочастотная коррекция с помощью индуктивной катушки , включенной последовательно с коллекторным резистором (рис. 4.13).

С повышением частоты увенчивается полное сопротивление нагрузки коллектора а следовательно, и коэффициент усиления каскада, тем самым компенсируется снижение коэффициента усиления.

Широкополосные усилители можно использовать для усиления импульсных сигналов. Любой импульсный сигнал в общем случае можно разложить в гармонический ряд, состоящий из суммы бесконечного числа синусоидальных составляющих различной амплитуды, частоты и фазы. Чем шире полоса пропускания, тем больше число составляющих гармонического ряда пройдет через усилитель с минимальными частотными искажениями и тем точнее будет воспроизведена на выходе усилителя форма входного импульса.

Рис. 4.13.

Рис. 4.14.

Для усилителей импульсных сигналов частотные искажения определяются непосредственно по форме выходного сигнала при подаче на вход усилителя единичного скачка напряжения .

Изменение переходной функции во времени называется переходной характеристикой. Для определения частотных искажений импульсного сигнала по переходной характеристике вводятся следующие параметры (рис. 4.14): — времена положительного и отрицательного фронтов, обусловленные частотными искажениями в области высоких частот; — относительное снижение (срез) вершины, обусловленное частотными искажениями в области низких частот:

где — длительность импульса.

Расчет элементов цепей низкочастотной и высокочастотной коррекции в схеме широкополосного усилителя

1. Рассчитать элементы цепи низкочастотной коррекции в широкополосном скаде усиления (см. рис. 4.10, а), если сопротивления в коллекторной цепи равны 120 и 1,5 Ом. Низшая граничная частота выходной цепи усилителя без коррекции по уровню равна Гц.

Решение: а) выбираем б) определяем сопротивление резистора корректирующей цепи кОм; в) определяем постоянную времени г) находим емкость разделительного конденсатора д) из условия обеспечения оптимальной коррекции определяет емкость корректирующего конденсатора

2. Определить элементы цепн высокочастотной коррекции в широкополосной каскаде усиления (см. рис. 4.12, а) на биполярном транзисторе с параметрами . Параметры схемы: . Коэффициент усиления каскада в области средних частот К и .

Решение: а) находим сопротивление резистора из формулы (4.50): Ом; б) определяем постоянную времени: находим из формулы (4 15) коэффициент усиления без обратной связи: определяем глубину обратной связи определяем постоянную времени корректирующей цепи из формулы находим емкость корректирующего конденсатора .