Особенности широкополосных усилителей.

Широкополосные усилители отличаются от усилителей звуковой частоты некоторыми специфическими особенностями. Так как в широкополосных усилителях требуется усиливать электрические сигналы в очень широкой полосе частот — от единиц или десятков герц до многих мегагерц, то в них используют резисторные каска­ды (имеющие наилучшие частотные, фазовые и переходные ха­рактеристики), дополненные для расширения полосы усиливае­мых частот специальными корректирующими цепями. Широкопо­лосные каскады с коррекцией применяют для усиления как гармо­нических, так и импульсных сигналов, для широкополосного усиле­ния используют специальные транзисторы, называемые высокоча­стотными, имеющие высокую предельную частоту коэффициента передачи тока. Транзисторы в широкополосных каскадах обычно включают с об­щим эмиттером или истоком.

Рассмотрим особенности широкополосного усилителя, связан­ные с весьма высоким значением верхней границы полосы про­пускания f_в.

Как видно из формул (2.4.17) и (2.4.28), для увеличения полосы пропускания частот (для увеличения f_в) надо уменьшить резистор R коллекторной или анодной нагрузки. Но с уменьшением R согласно (2.4.8), (2.4.9) снижается коэффициент усиления .каскада, поэтому широкополосные каскады имеют сравнительно неболь­шой коэффициент усиления, тем меньший, чем выше верхняя ра­бочая частота f_в. Малое значение К_ср иметь невыгодно, так как. это заставляет увеличивать число каскадов усилителя, что усло­жняет и удорожает усилитель и уменьшает надежность его рабо­ты. Поэтому важным показателем широкополосного .каскада, ха­рактеризующим его качество, является произведение коэффици­ента усиления напряжения в области средних частот К_ср на верх­нюю граничную частоту f_вг, пропорциональное площади частот­ной характеристики; обозначим это произведение через П и назо­вем площадью усиления каскада:

П= К_ср f_вг (2.6.1)

Рассмотрим зависимость площади усиления от рода использу­емого в каскаде усилительного элемента и сопротивления его нагрузки. Площадь усиления резисторного каскада с полевым транзистором можно найти, определив из (2.4.14) значение f_вг и умножив его на (2.4.8) или поделив (2.4.8) на (2.4.27):

П= К_ср f_вг=S/6.28C₀=0,35 К_ср/t_y (2.6.2)

Полученное выражение показывает, что площадь усиления широкополосного резисторного каскада с полевым транзистором или электронной лампой не зависит от сопротивления его нагруз­ки, а определяется только крутизной характеристики S и емко­стью С₀, нагружающей каскад. Это объясняется тем, что при­ уменьшении сопротивления нагрузки каскада R R_экв.в коэффи­циент усиления падает во столько же раз, во сколько увеличива­ется верхняя граничная частота, а поэтому их произведение остается постоянным. Из (2.6.2) следует, что К_ср=Пt_y/0,35=П/f_в.г, а значит, чем больше площадь усиления каскада, тем он может дать больше коэффициента усиления при заданной высшей рабо­чей частоте или заданном времени установления.

Поэтому для уменьшения расхода энергии питания для широ­кополосного каскада следует брать транзистор с на­именьшим потреблением энергии, лишь обеспечивающие необхо­димое усиление и нужную амплитуду сигнала.

У каскада с биполярным транзистором уменьшение сопротив­ления нагрузки при большом его значении уменьшает усиление и повышает верхнюю граничную частоту, как и у каскада с поле­вым транзистором.

При сопротивлении нагрузки порядка 100 Ом и выше площадь усиления каскада с биполярным транзистором:

(2.6.3)

но при малых сопротивлениях нагрузки (десятки Ом и меньше) вследствие влияния сопротивления базы r’_б верхняя граничная частота растет медленнее, чем падает уси­ление, а поэтому площадь усиления уменьшается, стремясь к 0 при R = 0.

Расход энергии на питание маломощного широкополосного каскада с биполярным транзистором обычно несколько меньше, чем в каскаде с полевым транзистором. Поэтому по усилению и расходу энергии питания, наилучшими усилительными элементами для широкополосного усиления являются биполярные транзисто­ры. Однако большой разброс значений h_21э и f_т у различных эк­земпляров заставляет при их применении использовать меры, ста­билизирующие коэффициент усиления каскада и его частотную или переходную характеристику.

Для широкополосного усиления обычно используют резистор­ные каскады, так как они имеют наилучшую частотную и пере­ходную характеристики; для расширения усиливаемой каскадом полосы частот и изменения формы частотной и переходной ха­рактеристик в широкополосных каскадах используют дополнитель­ные цепи, называемые корректирующими цепями или цепями кор­рекции.

Цепи, изменяющие частотную характеристику в области ниж­них частот и переходную характеристику в области больших времен, называют цепями низкочастотной коррекции, а цепи, изменя­ющие частотную характеристику на верхних частотах и переход­ную характеристику в области малых времен, — цепями высоко­частотной коррекции.

Применение цепей высокочастотной коррекции позволяет сни­зить частотные искажения в области верхних частот без потери усиления на средних частотах или при неизменном значении Y_в получить большее значение К_ср, иначе говоря, повысить площадь усиления. Применение коррекции в области нижних частот поз­воляет уменьшить частотные искажения при неизменной емкости разделительных и блокировочных конденсаторов, либо при том же Y_н взять конденсаторы меньшей емкости.

Коррекцию применяют и тогда, когда необходимо получить частотную характеристику усилителя или отдельных каскадов специальной формы, например с подъемом, чтобы скомпенсиро­вать снижение усиления в других звеньях тракта передачи или других каскадах.

Корректирующие цепи корректируют не только частотную, но также фазовую и переходную характеристики каскада; расчет компонентов корректирующей цепи производится различно в за­висимости от того, какую характеристику нужно корректировать.