Читать онлайн «Электроника в вопросах и ответах». Страница 42

В случае усилителя на пентоде для обеспечения правильной работы лампы необходимо соединить третью сетку лампы с катодом или массой, я также вторую сетку (экранную) — с источником напряжения питания Еа. Если требуемое напряжение питания второй сетки меньше, чем напряжение Еа, то ее соединяют с источником напряжения Еа через гасящий резистор Rэ. Экранная сетка в пентоде действует аналогично аноду, поэтому при работе лампы в качестве усилителя напряжение между экранной сеткой и массой изменяется.

Чтобы воспрепятствовать этим нежелательным изменениям, между экранной сеткой и массой включают конденсатор большой емкости. Он представляет собой короткое замыкание для переменных токов, и благодаря этому потенциал экранной сетки поддерживается на постоянном уровне.

Если на вход схемы подать переменное напряжение, то оно наложится на постоянное сеточное напряжение и вызовет изменение потенциала между сеткой и катодом. В результате изменений этого потенциала изменятся анодный ток и падение напряжения на нагрузочном сопротивлении Ra. Следует добавить, что выходное напряжение имеет полярность обратную полярности выходного, что для импульсных сигналов означает инверсию (поворот) фазы на 180°. Незначительное изменение напряжения в цепи сетки может вызвать изменение анодного тока на несколько миллиампер. При большом сопротивлении резистора Ra на нем возникает падение напряжения, во много раз превышающее входное напряжение. Поэтому схема работает как усилитель напряжения.

Коэффициент усиления схемы в диапазоне средних частот выражается следующей формулой:

Кu = — S·Ra,экв

где S — крутизна сеточной характеристики лампы; Ra,экв — сопротивление нагрузки лампы.

В пентодном усилителе из-за большого внутреннего сопротивления Ri пентода нагрузка представляет собой параллельное сопротивление резисторов Ra и RC2; в триодном усилителе необходимо еще учитывать включенное параллельное сопротивление Ri.

Конденсаторы Сс1 и Сс2 являются конденсаторами связи, которые выполняют те же задачи, что и конденсаторы связи в транзисторном усилителе. Однако емкости конденсаторов из-за высокого сопротивления сеточной цепи значительно меньше и не превышают обычно 0,5 мкФ. Конденсаторы связи, блокирующие катодные резисторы, оказывают влияние на ход кривой усиления в диапазоне низких частот, тогда как входные и выходные емкости ламп, а также емкости соединительных проводников ограничивают полосу усилителя со стороны высоких частот.

Произведение коэффициента усиления на ширину полосы GB[20], называемое также площадью усиления, является параметром, определяющим способность активного элемента усиливать в широкой полосе частот. Из формулы для верхней граничной частоты, которая определяет ширину полосы, следует, что эта частота тем больше, чем меньше сопротивление Rэкв, являющееся нагрузкой усилителя. Однако, с другой стороны, меньшему сопротивлению соответствует меньшее усиление, и поэтому требование большой ширины полосы противоречит возможности получения большого коэффициента усиления усилителя. Оказывается, например, что для пентода произведение GB имеет постоянное значение и выражается следующей зависимостью:

B = S/2πСполн

где S — крутизна сеточной характеристики пентода; Сполн — сумма емкостей, шунтирующих сопротивление нагрузки усилительного каскада.

Если S = 10 мА/В и С = 20 пФ, то GB = 80 МГц. Это означает, что при ширине полосы В = 10 МГц усиление G = 8, т. е. наблюдается «обмен» между усилением и полосой при сохранении постоянства их произведения. Проблема «обмена» усиления и полосы не очень существенна в усилителях низкой частоты, поскольку площадь усиления обычно больше требуемой. Эта проблема становится существенной и в широкополосных усилителях, в которых площадь усиления является решающим фактором, ограничивающим коэффициент усиления схемы. В триодном усилителе произведение коэффициента усиления на ширину полосы пропускания не является постоянным. Это следует из того факта, что емкость возрастает при росте коэффициента усиления (эффект Миллера) и уменьшении ширины полосы. При больших усилениях и малых полосах площадь усиления меньше, чем в противоположном случае.

В транзисторных усилителях произведение GB также не является постоянным и достигает максимального значения при оптимальных сопротивлении резистора, шунтирующего входную цепь транзистора, коэффициенте усиления и ширине полосы. Кроме того, для получения большой площади усиления транзистор должен работать при достаточно больших токах эмиттера.

Если речь идет о полевом транзисторе, то его свойства в известной степени схожи со свойствами электронной лампы. В связи с этим произведение GB усилительного каскада на полевом транзисторе должно быть постоянным. Однако из-за значительной емкости между стоком и затвором произведение GB характеризуется такими же свойствами, как произведение GB триода.

Широкополосный усилитель — это усилитель, используемый для усиления сигналов с широким спектром частот, часто сравнимым с площадью усиления применяемых активных элементов, ламп или транзисторов. Примером такого сигнала может быть сигнал изображения, действующий в телевизионных схемах, спектр которого охватывает частоты от нескольких герц примерно до 6 МГц, или последовательность коротких импульсов с малым временем фронта.

Основные схемы однокаскадного широкополосного усилителя не отличаются от представленных на рис. 7.7 и 7.10. Разница заключается в использовании меньших сопротивлений нагрузки и подборе соответствующих усилительных элементов. Для ламповой схемы применяют пентоды с большим отношением крутизны к параллельной емкости (S/С), а для транзисторной — транзисторы, характеризующиеся большим значением граничной частоты fгр.

Временной характеристикой усилителя называется отклик усилителя на заданный эталонный входной импульс. За эталонный импульс чаще всего принимают единичный скачок или скачок напряжения от 0 до 1 за бесконечно малый промежуток времени. На практике это импульс с очень коротким временем нарастания и соответственно большой длительностью.

Если бы усиление усилителя не зависело от частоты, то выходной импульс имел бы ту же форму, что и входной. Однако, поскольку каждый усилитель, даже широкополосный, имеет ограниченную полосу пропускания, следует ожидать, что входной импульс не будет идеально воспроизведен на выходе усилителя, а отклик усилителя будет зависеть от свойств схемы. Математический анализ усилителя позволяет утверждать, что форма начальной части (фронта) выходного импульса зависит от свойств усилителя в диапазоне высоких частот, тогда как форма средней части выходного импульса (вершины) зависит от свойств усилителя в диапазоне низких частот. С точки зрения измерений широкополосных усилителей временная характеристика является полезным мерилом качества усилителя, поскольку сразу же демонстрирует вносимые усилителем искажения.

На рис. 7.1 показаны отклики усилителя на единичный скачок, единичные отклики в области фронта и вершины. Единичный отклик в области фронта может быть колебательным или монотонным.

Рис. 7.11. Формы фронта (а) и вершины (б) на выходе усилителя при единичном скачке на входе:

1 — колебательная форма фронта; 2 — монотонная

Для полного определения искажений фронта служат три параметра; время нарастания τн, определяемое как время нарастания отклика от 0,1 до 0,9 в установившемся состоянии; время задержки τз определяемое как время нарастания отклика от 0 до 0,5 в установившемся состоянии; амплитуда первого колебания (выброса) l.

Естественно, что последний параметр не относится к непрерывно нарастающему (монотонному) отклику.

Для определения вершины отклика за критерий ошибки принимается спад z в момент t = Т. Как уже упоминалось, временная характеристика строго зависит от частотных характеристик. И поэтому максимально линейной фазовой характеристике, а также плавно спадающей амплитудной характеристике соответствуют монотонный характер фронта (l < 1 %) и относительно большее время нарастания. В свою очередь максимально гладкой амплитудной характеристике, достаточно быстро спадающей за пределами полосы пропускания, соответствует отклик с небольшими амплитудами выбросов и относительно малым временем нарастания. Спад отклика зависит от нижней граничной частоты усилителя. Чем эта частота меньше, тем меньше спад. В принципе не существует простых зависимостей между частотными и импульсными параметрами усилителя. Однако на практике можно пользоваться зависимостью, которая связывает время нарастания τн и верхнюю граничную частоту fв. Оказывается, что произведение τнfв есть величина постоянная и примерно равная 0,4. Из этой зависимости следует, что время нарастания единичного отклика тем меньше, чем выше верхняя граничная частота усилителя.