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. 3.3.4 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. 3.3.4б), 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. 3.3.4. 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 значениями коэффициента высокочастотной коррекции На рис. 3.3.5а 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 рис. 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. 3.3.5б 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. 3.3.5б 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. 3.3.5. 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. 3.3.5в 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 рис. 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 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 =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 рас-считывают по семействам нормированных частотных и переходных характеристик, приведенных на рис. 3.3.5. 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. 3.3.6. 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. 3.3.6 приведен основной вариант схемы транзисторного каскада со сложной коррекцией. Эта схема содержит две корректирующие индуктивности L, L₁ и дополнительный резистор R₁ индуктивность L₁ делит нагружающую каскад емкость С₀ на и образующие с индуктивностями L₁ и L резонансную систему. Вид частотной и переходной характеристик схемы рис. 3.3.6 может быть весьма разнообразным. Сложная коррекция дает наибольший эффект только при определенном соотношении С₁ и С₂, наилучшая частотная характеристика для схемы рис. 3.3.6 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. 3.3.6 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.