ШИРОКОПОЛОСНЫЕ И ЛИНЕЙНЫЕ ИМПУЛЬСНЫЕ УСИЛИТЕЛИ

В ряде устройств усиление сигналов необходимо проводить для широкого спектра частот. Амплитудно-частотная характеристика усилителей при этом должна быть равномерной в диапазоне от нескольких единиц или десятков герц до нескольких десятков и сотен мегагерц. Такие усилители относят к классу широкополосных. Преимущественное применение они получили при усилении сигналов сложной, в частности импульсной, формы, характеризующейся широким спектром частот. Усилители, предназначенные специально для усиления сигналов импульсной формы, называют импульсными.

Требования широкополосности предъявляются к усилителям осциллографов, усилителям импульсных сигналов изображения в телевидении (видеоусилители), а также импульсным усилителям систем автоматического управления и контроля, радиолокационных, радионавигационных и счетно-решающих устройств, импульсных систем связи и т.д.

Из большого разнообразия импульсных сигналов наибольшее применение получили сигналы прямоугольной формы. Такая форма импульсов, в частности, наиболее полно отражает специфику работы импульсного усилителя. По режиму работы усилительных каскадов различают линейные и нелинейные импульсные усилители. В нелинейных импульсных усилителях транзисторы усилительных каскадов работают в нелинейном режиме с чередованием (в процессе передачи импульса) открытого и закрытого их состояний. В линейных импульсных усилителях амплитуда выходного импульса U_{вых m}пропорциональна амплитуде входного импульса U_{вх m}и связана с ним через коэффициент усиления K_U = U_{вых m} /U_{вх m}Как и в усилителях переменного и постоянного токов, точку покоя каждого каскада выбирают на линии нагрузки в пределах линейной области выходных характеристик транзистора.

Рис. 2.53. Импульсный сигнал на входе (а) и его искажение на вы­ходе (б) усилителя

Если принять, что входной импульс имеет бесконечно малые длительности переднего и заднего фронтов (рис. 2.53, а), то импульсный усилитель в процессе усиления такого сигнала должен внести минимально возможные искажения его формы (рис. 2.53, б). Допустимые искажения выходного импульса характеризуются максимально-возможными длительностями его переднего фронта t_ф и заднего фронта (среза) t_ср, измеряемыми обычно на уровне от 0,1 до 0,9 амплитуды напряжения U_{вых m}, а также максимально допустимым спадом плоской вершины ΔU выходного импульса.

Известно, что импульсный сигнал прямоугольной формы характеризуется широким спектром гармонических составляющих. При этом передний и задний фронты импульса определяются высокочастотной частью спектра, а вершина импульса - его низкочастотной частью. Таким образом, качественной передаче входного импульса через усилитель будет соответствовать пропорциональное усиление им всех составляющих спектра частот входного сигнала. На передачу переднего и заднего фронтов входного импульса, а следовательно, и на времена t_ф и t_ср оказывают влияние высокочастотные свойства усилителя в частности значение верхней частоты f_в.п полосы пропускания. На передачу плоской вершины влияет значение низшей частоты f_н.п полосы пропускания.

При увеличении длительности импульса t_и его гармонические составляющие сдвигаются в область более низких частот. Для передачи с минимальными искажениями плоской вершины импульса (получения минимального ΔU) частота f_н.п усилителя должна стремиться к нулю.

В период применения дискретных электронных компонентов линейные импульсные усилители создавались на основе усилителей с конденсаторной связью между каскадами. Определенные трудности в обеспечении широкой полосы пропускания частот в таких усилителях (обусловленные в области низких частот наличием межкаскадных конденсаторов связи, а в области высоких частот даже при использовании высокочастотных транзисторов наличием паразитных емкостей монтажа) преодолевали ценой усложнения входящих в них усилительных каскадов. Требуемая полоса пропускания частот при импульсном сигнале достигалась введением в каскады дополнительных цепей низкочастотной и высокочастотной коррекции, состоящих из реактивных элементов Lи С.

На современном этапе преимущественного использования интегральной электроники импульсные усилители выполняют по типу усилителей постоянного тока (с непосредственной связью между каскадами). Разделительные конденсаторы служат лишь для связи входной цепи усилителя с источником усиливаемых сигналов, хотя и эта связь часто осуществляется непосредственно. С учетом указанного полоса пропускания интегрального импульсного усилителя начинается от частот, равных нулю, что обеспечивает почти без искажений передачу плоской вершины усиливаемого импульса. Требуемая граница диапазона по высокой частоте, необходимая для передачи переднего и заднего фронтов, достигается технологическими методами, обеспечивающими получение высокочастотных интегральных транзисторов и ничтожно малых паразитных емкостей межкаскадных интегральных соединений. Импульсные усилители в интегральном исполнении реализуются на самые различные значения коэффициентов усиления по напряжению.

Рис. 2.54. Схема импульсного усилителя в интегральном исполнении

На рис. 2.54 показан пример интегрального исполнения двухкаскадного импульсного усилителя с противофазным (парафазным) выходом (микросхема К218УИ3). Входной сигнал может подключаться либо непосредственно (вход 1) к усилителю, либо через конденсатор С_{р 1} (вход 2). Для уменьшения спада вершины импульса, создаваемого конденсатором С_р1 относительно малой емкости, можно увеличить емкость конденсатора связи путем подключения между входами 1 и 2 дополнительного навесного конденсатора. Коэффициент усиления по напряжению микросхемы составляет около 10. Времена переднего и заднего фронтов выходного импульса составляют менее 0,1 мкс-