В радиоэлектронной аппаратуре часто приходится иметь дело с усилением периодической последовательности импульсов постоянного тока (видеоимпульсов). Требуемые электрические свойства такого усилителя определяются формой усиленного сигнала на выходе при подаче на вход импульса прямоугольной формы.
 |
Отклонение усиленного импульса на выходе от прямоугольной формы оценивают следующими параметрами: временем нарастания импульса tн, временем спадания импульса tсп, величиной спада импульса ΔUсп, величиной нижнего выброса импульса ΔUн (рис. 142). Рис. 142. Параметры импульса |
Из курса математики известно, что любую периодическую функцию можно представить в виде бесконечного тригонометрического ряда. Амплитудный спектр прямоугольного видеоимпульса определяется уравнением
где А — величина, пропорциональная высоте импульса; n — номер гармоники; τи — длительность импульса; F — частота следования импульса.
Амплитуды гармоник изменяются по синусоидальному закону и убывают по мере возрастания номера гармоники. Спектр амплитуд периодического видеоимпульса не сплошной, он представляет собой совокупность гармонических колебаний, отличающихся друг от друга по частоте на величину F.
Для неискаженного усиления необходимо равномерно усиливать все гармоники, сохраняя между ними существовавшие на входе фазовые соотношения. Однако бесконечно большую полосу частот равномерно усиливать не удается, поэтому при усилении возникают искажения формы импульса.
Практикой установлено, что частота наивысшей гармоники, которая должна быть усилена для удовлетворительного восприятия формы усиленного сигнала, определяется соотношением
(243)
Длительность импульсов часто составляет десятые и сотые доли микросекунды, поэтому полоса пропускания видеоусилителей доходит до 10—20 Мгц.
Широкополосные усилители преимущественно выполняются по схеме на сопротивлениях, так как реостатный усилитель, как отмечалось выше, обладает наиболее равномерной частотной характеристикой и наименьшими фазовыми искажениями. Однако даже в таком усилителе, при мгновенном возрастании напряжения на его входе от нуля до Uвх, напряжение на выходе не может мгновенно возрасти до величины, определяемой произведением входного напряжения на коэффициент усиления. Этому препятствуют реактивные элементы схемы С0 и Сс.
Обычно Сс >> С0, поэтому приближенно можно считать, что за время заряда и разряда емкости С0 заряд емкости сс не успевает измениться. Точно так же, рассматривая процесс заряда емкости Сс, можно считать, что емкость С0 зарядилась мгновенно.
 |
Процесс установления напряжения на емкости С0 удобно проследить при помощи эквивалентной схемы, приведенной на рис. 143, а. Рис. 143. Эквивалентные схемы видеоусилителя: а — в области верхних частот; б — в области нижних частот. |
В этой схеме
а емкость Сс замкнута накоротко. При помощи теоремы об эквивалентном генераторе эта эквивалентная схема может быть заменена более простой, приведенной рядом. Здесь сопротивление Rэ представляет собой параллельное соединение сопротивлений Ri и Rн, а генератор напряжения μUвх заменен генератором э. д. с. SUвхRэ, который обеспечивает прохождение через емкость С0 тока прежней величины.
При мгновенном возрастании напряжения на входе от нуля до Uвх генератор мгновенно вырабатывает э. д. с. SUвхRэ; при этом происходит заряд емкости С0 через сопротивление Rэ.
Напряжение на выходе возрастает по экспоненциальному закону
(244)
и теоретически достигает значения SUвхRэ лишь спустя время t=∞, т. е. заряд емкости С0 продолжается бесконечно долгое время, причем вначале он протекает быстро, но затем постепенно замедляется. Временем нарастания (установления) импульса tу называется время, в течение которого выходное напряжение изменяется от 0,1 до 0,9 установившегося значения. В процессе заряда емкость С0 искажает передний фронт импульса.
По окончании импульса происходит постепенный разряд емкости С0, причем продолжительность разряда определяет время спадания импульса tсп. В процессе разряда емкость С0 искажает задний фронт импульса.
Если формулу (244) решить относительно tу = t0,9 - t0,1, то легко убедиться, что
tу = 2,2C0Rэ ≈ 2,2С0Rа. (245)
Воспользовавшись формулой (232), определяющей частотные искажения усилительного каскада на сопротивлепнях в области верхних частот, и предположив, что частотные искажения на верхней рабочей частоте составляют 3 дб. можно написать следующее равенство:
2πFвС0Rэ = 1,
откуда
Используя формулу (245), напишем уравнение, связывающее время установления импульса с верхней граничной частотой:
(246)
В области нижних частот искажение формы импульса вызвано наличием конденсатора Сс. На рис. 143, б приведена эквивалентная схема усилительного каскада в области нижних частот и рядом с ней упрощенная на основе применения теоремы об эквивалентном генераторе, более удобная для анализа. При упрощении схемы были использованы следующие соотношения:
напряжение эквивалентного генератора, численно равное напряжению на выходе линейного четырехполюсника при отключенной нагрузке,
умножив числитель и знаменатель дроби на Ri, получим
U = SUвхRэ
где
Так как R >> Rс, то можно считать, что постоянная времени заряда конденсатора Сс определяется произведением CсRс. В момент поступления на вход сигнала Uвх ток заряда конденсатора Сс максимален и все напряжение источника сигнала SUвхRэ падает на сопротивлении Rс. Однако, по мере заряда конденсатора Сс, напряжение на R уменьшается вследствие увеличения напряжения на Сс.
Увеличение напряжения на конденсаторе Сс происходит по экспоненциальному закону:
Это обусловливает уменьшение выходного напряжения также по экспоненциальному закону — спад вершины импульса. Быстрота спада импульса определяется постоянной времени цепочки RсCс.
Конденсатор Сс является также причиной появления нижнего выброса ΔUн, так как после окончания импульса конденсатор Сс разряжается через сопротивление Rс. Разрядный ток создает на выходе (на Rс) напряжение обратной полярности. Амплитуда обратного выброса равна величине спада импульса.
Нижняя граничная частота Fн, при заданной длительности импульса τк и величине допустимого спада импульса, определяется по формуле
(247)
которая справедлива только при условии, если коэффициент частотных искажений на нижней граничной частоте не превышает 3 дб. Величина Fн связана при этом с постоянной времени τс = RсCс следующим соотношением:
(248)
Как видно из этой формулы, с увеличением CсRс нижняя граничная частота, величина спада вершины импульса и обратный выброс уменьшаются.
Таким образом, анализируя полученные формулы, легко убедиться, что для уменьшения фронтов импульса надо увеличивать верхнюю граничную частоту, а для уменьшения спада и обратного выброса — нижнюю граничную частоту усилителя. Выполнение этих условий обеспечивается применением ламп с малыми междуэлектродными емкостями и с большим μ. Однако лампы с большим значением μ имеют и большее внутреннее сопротивление Ri. Чтобы Rэ все же было малым, снижают сопротивление нагрузки Rа. При этом понижается коэффициент усиления на средних частотах. Поэтому коэффициент усиления широкополосного усилительного каскада (в зависимости от его полосы пропускания) невелик и имеет значения от нескольких единиц до одного-двух десятков.
