Технические дисциплины - Электроника

Усиление импульсных сигналов

Переходная функция усилителя

Импульсные сигналы могут быть одиночными или периодическими. Импульсы напряжения или тока могут иметь различную форму. Чаще используются прямоугольные импульсы. Они характеризуются длительностью tи, амплитудой Um, периодом Т.

Идеальный прямоугольный импульс можно представить как суперпозицию двух  скачков равной величины, но противоположной полярности, причем второй скачок сдвинут относительно первого на время   tи .

После прохождения этого импульса через усилитель форма сигнала искажается:

  • растягиваются фронты (передний и задний)
  • спад вершины,
  • выбросы на вершине и после импульса

 

Учитывая особенности формы входного импульсного сигнала, искажение формы импульса удобно анализировать с помощью переходной функции h(t) усилителя. Функция h(t) - это реакция усилителя Uвых(t) на его вход единичного скачка напряжения Uвх(t)=1(t). Единичный скачок 1(t) - временная функция, равная нулю при t<0 и единице при t³0.

Линейные искажения импульсного сигнала проявляются в затягивании крутого участка импульса и спаде вершины (плоской части сигнала).

 

Выходной импульс можно представить как сумму реакций усилителя на первый скачок и сдвинутый на время tи второй скачок. Переходная характеристика является композицией двух экспонент: “быстрой” с постоянной времени tв и “медленной”  с постоянной tн.

Передний фронт выходного скачка затянут из-за недостаточного усиления в области верхних частот: чем ниже верхняя частота wв, тем больше постоянная времени tв= 1/wв. Плоская часть (“вершина”) не остаётся постоянной, происходит спад вершины из-за недостаточного усиления в области нижних частот: чем выше частота wн , тем быстрее происходит завал вершины, так как

tн = 1/wн

Прямоугольный импульс входного напряжения можно представить на выходе как суперпозицию двух переходных характеристик. Длительность фронта tф = t0.9 - t0.1 @ 2.2 tв tф = 2.2/wв

Задержка фронта на уровне 0.5 амплитуды импульса

tзд = 0.7tв = 0.7/wв

Спад вершины отсутствует только у УПТ (wн = 0).

. В области верхних частот искажения определяют фронт импульса. Время установления  и верхняя частота связаны следующим соотношением:

.                                                                           (8)

В области больших времен искажается вершина импульса. Эти искажения обусловлены емкостями фильтров цепей питанияи емкостями, шунтирующими эмиттерные резисторы. Спад вершины  и длительность импульса  связаны соотношением

,                                                                              (9)

где ,  — нижняя частота.

Видеоусилитель

Видеоусилители обеспечивают усиление видеоинформации. Частотный спектр видеосигналов широк — от постоянного тока до нескольких мегагерц. Чтобы обеспечить приемлемое качество изображения, видеоусилитель должен иметь равномерную частотную характеристику в рабочем диапазоне частот. Каскады видеоусилителей обычно содержат резисторы не шунтированные емкостями, имеют небольшие коэффициенты усиления и низкие входные сопротивления, что обеспечивает необходимую форму частотных характеристик.

 

Рис. 1. Принципиальная схема видеоусилителя

Обычно видеоуилитель имеет гальваническую связь (рис. 1). Гальваническая связь довольно просто реализуется при использовании n–p–n— и p–n–p—транзисторов, когда коллектор одного непосредственно подключатся к базе следующего транзистора.

Транзисторы для видеоусилителей

Транзисторы, используемые в видеоусилителях, работают на частотах, меньших граничной частоты . Для анализа работы видеоусилителя можно использовать гибридную эквивалентную схему транзистора (рис. 2).

На низких частотах , а на высоких  снижается до 1 (рис. 3).

 

Удобно использовать следующие соотношения:

для                   ;     (1)

для ,  .         (2)

 

 

Рис. 2. Гибридная эквивалентная схема транзистора

Значения  и  приводятся в справочной литературе. Часто приводится модуль , определенный на некоторой частоте.

 

Рис. 3. Зависимость β от частоты

0

Тогда . Сопротивление , где  ( — ток эмиттера в рабочей точке). Для  .

Диффузионная емкость эмиттерного перехода

.                                                                                     (3)

Сопротивление тела базы  обычно мало (для маломощных транзисторов не превышает 100 Ом). Если  соизмеримо с , то в расчетах сопротивление базы учитывают. Величина  определяется из постоянной времени обратной связи , где  — барьерная емкость коллекторного перехода.

Расчет усилителя по постоянному току

В задании указаны коэффициенты усиления каждого каскада, постоянный уровень входного напряжения  транзистора. Это позволяет оценить значения сопро

 

тивлений , , , , а также делителя на входе , . Коэффициенты усиления каскадов

, .                                                              (4)

Выходное сопротивление первого каскада оценивается как

,                                                                (5)

где  — входное сопротивление второго каскада.

Выходное сопротивление второго каскада составит

.                                                                             (6)

 

 

а

 

б

 

в

Рис. 4. Эквивалентные схемы второго каскада усилителя:

а — типовая; б — с преобразованием Миллера; в — упрощенная

 

Сначала определяется рабочая точка для транзистора VT2 (рис. 3.1), положение которой зависит от тока коллектора VT1. Входной постоянный уровень на базе , а на эмиттере . Для VT1 ток коллектора . Для транзистора VT2 напряжение , а . Ток коллектора . Напряжение на коллекторе . Это напряжение должно составлять приблизительно половину напряжения питания.

Верхняя частота амплитудно–частотной характеристики усилителя

Расчет верхней частоты проводится с помощью эквивалентных схем второго каскада (рис. 4).

Эквивалентная схема (рис. 4) включает эквивалентную схему транзистора, паразитную емкость коллектор—«земля»  и элементы принципиальной схемы усилителя , , , . Паразитные емкости монтажа для маломощных транзисторов  (база—«земля») и  (коллектор—«земля») составляют соответственно 4 и 5 пФ. Диффузионная емкость эмиттера на схеме показана как .

Преобразуем барьерную емкость коллектора  к виду  и  с помощью преобразований Миллера:

; ,                                             (7)

где  — коэффициент усиления каскада на средних частотах,  — значение емкости коллектора при напряжении на коллекторе в точке покоя. Преобразованная схема приводится на рис. 4,б, а на рис. 4,в — упрощенная схема, в которой объединены емкости и сопротивления. Анализ этой схемы указывает на два возможных механизма ограничения усилительных свойств каскада на высоких частотах.

  1. Импеданс цепи коллектора. Усиление каскада  с ростом частоты снижается из–за уменьшения сопротивления   . Усиление снижается на 3 дБ на частоте, при которой реактивное сопротивление сравняется с .
  2. Коэффициент усиления транзистора на высоких частотах уменьшается в соответствии с выражением (2). На частоте  усиление снижается на 3 дБ.

При соответствующем выборе транзистора ширина полосы ограничивается лишь импедансом коллектора.

Расчет частотной характеристики первого каскада аналогичен расчетам второго каскада. Коэффициент усиления первого каскада с учетом входного сопротивления второго каскада определяется выражением:

,                                                                                             (8)

где , , ,

а для  .

Поскольку уже определена верхняя частота второго каскада, можно оценить реактивное выходное сопротивление первого каскада на этой частоте. Если оно будет выше чем , то верхняя частота первого каскада будет больше .

Влияние входной цепи на спад частотной характеристики определим из соотношения

,                                                                                 (9)

где .

Если и частота () окажется выше частоты , то за верхнюю частоту усилителя можно принять . Основным ограничением полосы пропускания является влияние выходной емкости и емкости .

Анализ переходной характеристики усилителя

В усилителе импульсных сигналов из–за наличия реактивных элементов линейные искажения оценивают с помощью переходной характеристики, которая представляет собой зависимость мгновенного значения напряжения или тока от времени на выходе при скачкообразном изменении напряжения или тока во входной цепи. Напряжение на коллекторе не может измениться скачком из–за наличия емкостей ,  и . В области верхних частот искажения определяют фронт импульса. Время установления  и верхняя частота связаны следующим соотношением:

.                                                             (10)

В области больших времен искажается вершина импульса. Эти искажения обусловлены емкостями фильтров цепей питания и емкостями, шунтирующими эмиттерные резисторы. Спад вершины  и длительность импульса  связаны соотношением

,                                                                 (11)

где ,  — нижняя частота.

 

Добавить комментарий


Защитный код
Обновить