Высокочастотная коррекция

Одной из наиболее простых схем высокочастотной коррекции для широкополосных резисторных каскадов, позволяющей рас­ширить полосу пропускания каскада или получать подъем частот­ной характеристики в области верхних частот, является схема параллельной высокочастотной коррекции индуктивностью. На рис. 2.7.4 приведены схемы транзисторного каскада с такой коррекцией; она осуществляется введени­ем индуктивности L последовательно с резистором нагрузки R выходной цепи усилительного элемента. Как видно из эквивален­тной схемы каскада для верхних частот (рис. 2.7.4б), корректирую­щая индуктивность L образует параллельный резонансный кон­тур с емкостью С₀, нагружающей каскад.

В результате полное сопротивление нагрузки выходной цепи усилительного элемента в области верхних частот возрастает, а следовательно, расширяется полоса пропускания каскада и улучшается его частотная характеристика, а также уменьшается время установления импульсных сигналов.

Индуктивность L здесь берут настолько малой, что ее влияние сказывается только в области верхних частот. На нижних и сред­них частотах рассматриваемая схема обладает такими же свой­ствами, как обычный резисторный каскад.

Рис. 2.7.4. Параллельная высокочастотная коррекция индуктивностью: а — в транзисторном каскаде;

б —эквивалентная схема для верхних частот каскада с параллельной коррекцией индуктивностью при R_г>>R<<R_н.

Параллельная коррекция индуктивностью хорошо действует только при R_г>>R<<R_н; эти условия обеспечиваются в резисторных каскадах с транзисторами, работающими на высокоомную нагрузку, например на модулятор кинескопа, отклоняющие пластины электронно-лучевой трубки или вход полевого транзистора. Она не дей­ствует в повторителях из-за малого выходного сопротивления, а также в каскадах с низкоомной внешней нагрузкой. Параллель­ная высокочастотная коррекция индуктивностью несложна по схеме, занимает мало места, дешева, легко настраивается, надеж­на в работе и увеличивает площадь усиления каскада более чем в 1,7 раза; вследствие указанных достоинств она широко исполь­зуется в усилителях с дискретными компонентами. Для интег­ральных схем такая коррекция непригодна, так как индуктив­ность L нужного значения нельзя сделать микроскопических раз­меров.

Частотная и переходная характеристики каскада с парал­лельной коррекцией индуктивностью определяются значением ко­эффициента высокочастотной коррекции . На рис. 2.7.5а изображено семейство нормированных частотных характеристик этой схемы коррекции, представляющих собой зависимость отно­сительного усиления Y, в области верхних частот от нормирован­ной частоты X=6,28/C₀R для различных значений а. Из рисунка видно, что наилучшая частотная характеристика без подъема здесь имеет место при критическом значении коэффициента кор­рекции . При a>0,414 частотная характерис­тика каскада получается с подъемом в области верхних частот и величина подъема растет с увеличением а. На рис. 2.7.5б приведено семейство нормированных переходных характеристик для области малых времен этой схемы — зависимость относительной величины мгновенного выходного напряже­ния у от нормированного времени x=t/C₀R для различных значе­ний а. Из рис. 2.7.5б следует, что при а 0,25 переходная характеристика каскада с такой коррекцией апериодична и выброса не имеет. При а>0,25 переходная характеристика приобретает колебательный характер и на ней появляется выброс, растущий с увеличением а, но время установления каскада при увеличении а уменьшается. Поэтому при расчете каскадов усиления импульсных сигналов с параллельной коррекцией индуктивностью значение а следует брать наибольшим исходя из допустимой величины выб­роса, так как при этом время установления каскада будет наи­меньшим. С физической точки зрения введение корректирующей индук­тивности уменьшает время установления каскада потому, что в момент появления скачка тока в выходной цепи индуктивность препятствует ответвлению тока в резистор R, направляя весь скачок тока в емкость С₀, вследствие чего последняя заряжается быстрее. Чем больше величина корректирующей индуктивности, тем дольше она препятствует ответвлению тока в R и тем больше уменьшается время установления каскада.

Рис. 2.7.5. Параллельная высокочастотная коррекция индуктивностью:

а — семейство нормированных частотных характеристик;

б — семейство нор­мированных переходных характеристик; в — зависимость F_m„, x_y и б от а.

На рис. 2.7.5в приведены зависимости нормированного времени установления х_у, максимального подъема частотной характеристи­ки у_max и выброса от коэффициента коррекции а для резистор­ного каскада с параллельной высокочастотной коррекцией индук­тивностью. Из рисунка видно, что наименьшее нормированное время установления в отсутствие выброса (а=0,25) равно 1,55, т. е. почти в 1,5 раза меньше, чем для каскада без коррекции.

При расчете многокаскадных усилителей импульсных сигна­лов большое значение имеет так называемый критический выброс _кр. Критическим называют такой выброс, при котором много­каскадный усилитель, собранный из одинаковых каскадов, имеет выброс, равный выбросу одного каскада, т. е. выброс, не изменя­ющийся при изменении числа каскадов усилителя. Величина кри­тического выброса зависит от схемы коррекции и для некоторых схем не является постоянной, изменяясь с изменением соотно­шений величин в схеме. Для параллельной коррекции индуктив­ностью критический выброс постоянен, равен примерно 1% и со­ответствует значению а=0,35 и нормированному времени уста­новления х_у =t_у/С₀R =1,31, что почти в 1,7 раза меньше, чем для резисторного каскада без коррекции.

Компоненты схем каскадов усиления гармонических и импуль­сных сигналов с параллельной коррекцией индуктивностью для требуемого вида частотной или переходной характеристики рас­считывают по семействам нормированных частотных и переход­ных характеристик, приведенных на рис. 2.7.5. Сопротивление ре­зистора R в выходной цепи широкополосного каскада здесь нахо­дят исходя из верхней рабочей частоты или времени установления каскада.

Корректирующую индуктивность можно включать не последо­вательно с R, а последовательно с внешней нагрузкой или вход­ной цепью следующего усилительного элемента; в этом случае получим схему последовательной высокочастотной коррекции ин­дуктивностью. Но эта схема не имеет преимуществ по сравнению с рассмотренной ранее схемой параллельной коррекции индуктив­ностью; кроме того, она имеет менее стабильные в эксплуатаци­онных условиях характеристики и в каскадах широкополосного усиления используется редко.

Рис. 2.7.6. Параллельно-последовательная (сложная) высокочастотная коррекция индуктивностью.

Когда выигрыш в усилении, даваемый параллельной коррекци­ей индуктивностью, оказывается недостаточным и каскад дает слишком малое усиление или усилительный элемент для каскада приходится брать слишком мощный, применяют более сложные схемы коррекции. Наиболее распростра­ненной из них является схема параллель­но-последовательной высокочастотной коррекции индуктивностью или, как ее часто называют, схема сложной высоко­частотной коррекции. На рис. 2.7.6 приве­ден основной вариант схемы транзистор­ного каскада со сложной коррекцией. Эта схема содержит две корректирующие ин­дуктивности L, L₁и дополнительный ре­зистор R₁ индуктивность L₁ делит нагру­жающую каскад емкость С₀ на С₁=С_вых + С_м1 и С₂ = С_н + С_м2, образующие с индуктивностями L₁и L резонансную систему. Вид частотной и переходной характеристик схемы рис. 2.7.6 может быть весьма разнообразным. Сложная коррек­ция дает наибольший эффект только при определенном соотноше­нии С₁ и С₂, наилучшая частотная характеристика для схемы рис. 2.7.6 получается при n=C₁/(C₁ + C₂) =C₁/C₀ = 0,6. Коэффициент уси­ления каскада или его полоса пропускания на уровне Y_в = 0,707 при сложной коррекции и значении п от 0,25 до 0,6 в 1,3—1,5 раза боль­ше, чем при параллельной коррекции; при n<0,25 применять слож­ную коррекцию нецелесообразно из-за незначительности даваемого ею выигрыша.

Критический выброс схемы сложной коррекции и нормирован­ное время установления каскада также определяются величиной п. В каскадах усиления импульсных сигналов сложную коррек­цию обычно рассчитывают с критическим выбросом, который для схемы рис. 2.7.6 лежит в пределах от 4,3% для n = 0,656 до 1,1% для n=0,25.

Давая небольшой дополнительный выигрыш в усилении по сравнению с параллельной коррекцией, схема сложной коррекции содержит больше деталей, более сложна в настройке, так как требуется тщательный подбор всех элементов схемы, ее характе­ристики сильнее изменяются при замене транзисторов и других деталей. Поэтому ее применяют лишь в особых случаях, например при очень высокой верхней рабочей частоте, когда па­раллельная коррекция обеспечивает коэффициент усиления кас­када, близкий к единице, т. е. практически не дает усиления; сложная коррекция при этом позволит сильно уменьшить число каскадов усилителя. Ее применяют также в выходных каскадах с большой амплитудой выходного напряжения сигнала; здесь сложная коррекция позволит применить менее мощный транзи­стор и снизить мощность, расходуемую на питание.