Анализ величин /а и <ф показывает, что уменьшение постоянное времени т, (или увеличение fu) уменьшает длительность фронта и время задержки. Операторное выражевве для коэффициента передачи каскада в области низких частот имеет вид Ка(.р) =/(орТа/(1--рТа).

Определив оригинал для Кн(р), получим переходную характеристику каскада в области больших времен Лн(0=Соехр(-if/ta). Нормированная переходная характеристика получается делением h{t) на Ло:/гн*(0 = =ехр(-/Та).

Отсюда искажения при передаче вершины импульса Д=1-ft*(0 =

: 1-ехр (-/Тн) или

=Та1п[1/(1-Д)].

(6.5)

Подставив в (6.5) t = iB, можно определить или искажения в конце действия импульса длительностью tm, или максимальную длительность импульса при заданном искажении. С учетом искажений импульсного сигнала во входной цепи (/?г=?0) в [П2] приведена переходная характеристика каскада на ПТ в области малых времен в операторном виде Лв(р) = (1-1-Ч-рТэквЧ-рЧэквяг) , где Тэкв=Тв1-ЬТвы1 - постоянная времени каскада; т=т вхТвы1/т=экв-коэффициент режима; Твх и Твых - постоянные времени входной и выходной цепей каскада.

Для рассматриваемого каскада имеют место следующие соотношения:

Твх=(/?г1/?вх) [С,в + Сзс(1+Ко)];

Тв ь.х = (Рс /?н) (Сзс-1-Сси-1-Са) ; Твх =(/?г/?в1)[Сз -1-СзсСои/(С,с-1-Сс )].

Поскольку в данном каскаде всегда ,га<0,25, т. е. возможен только апериодический режим без выбросов, то длительность фронта выходного импульса можно определить по известной формуле Элмора

Тф= 2.2тэкв У 1 -2т и 2.2тэкв.

В общем случае иа вход каскада обычно подается импульсный сигнал с экспоненциальным фронтом, постоянная времени которого Тг. Тогда переходная характеристика каскада определяется тремя постоянными времени: Хг, постоянной времени входной цепи каскада Твх и постоянной времени выходной цепи Твы1.

Нормированная переходная характеристика в этом случае имеет вид

вМ0 = 1-(, ,(, ,)е--

(Ь-а) (Ь-с)

{с-а) (с-ьу

где й=1/Тг, Ь=1/твх, с=1/твы1.

Рассчитанные на цифровой ЭВМ при типовых для усилителей на мощных ПТ (типа 2П905, 2П908) Тг, Твх, Твых лереходиые характеристики приведены на рис. 6.5. В табл. 6.1 даны Твх, Тг, Твых, а также времена задержки и фронта, рассчитанные по переходным характеристикам.

Важными показателями широкополосных и импульсных каскадов усилителей являются площадь усиления П я импульсная добротность Q:

n=Koa}B = SRc~IRc~Co=S/Co; Q.=/C/<*=Si?c~/2,2/?c~Co=S/2,2Co

Таким образом, П к каскада не зависят от сопротивления его нагрузки, а определяются только крутизной ПТ и результирующей емкостью каскада. При этом Я=2,2Си. Другими словами, возможность получения большого усиления при малой длительности фронта ограничена конечной площадью усиления, свойственной ПТ. Большие значения П и Qe имеют ВЧ- и СВЧ-мощиые ПТ, сочетающие большую крутизну с малыми междуэлектродными емкостями.

О 2

t,HC

Рис 6 5. Переходные характеристики усилителя, рассчитанные иа ЭВМ

Таблица 6.1. Основные параметры нормированных переходных характеристик

Параметр

Номер переходной характеристики

Рис. 6.6. Схема каскада с общим стоком на мощном полевом транзисторе

Определенные трудности в построении высокоскоростных импульсных усилителей создает относительно большая входная е.мкость ПТ. Для ее уменьшения целесообразно использовать последовательную обратную связь по току, осуществляемую включением резистора Ри в истоковую цепь транзистора. При этом [112] Свх* = Ся/Г. где у = = 1 --/(о(Рн/Рс) = 1--5Ри - фактор обратной связи (без учета нагрузки). Введение Ри уменьшает также длительность фронта переходной характеристики в области малых времен до величины 1;ф* = 2,2тв* = = 2 2СоРс/т= 2,2СоРс/(14-5/?н),

Однако одновременно уменьшается и усиление каскада на средних частотах /Со* =

= л;г7т 5Ро/(1-Ь5р ).

Каскад с общим стоком (рис. 6.6) находит основное применение при работе импульсного усилителя на кабель или большую емкостную нагрузку. Его ши-рокололосность, малое выходное и большое входное сопротивления обеспечивают передачу импульсов с малыми искажениями. Для такого каскада основные параметры в области средних частот определяются выражениями

А:о=5(Ри1Рн)/[И-5(Ри11Ра)]=5Ра~/(И-5Рн~);

;?вь,х = Ри/(1--5Ри) 1/5; Свх = Сзс--Сзи(1-Ко).

По аналогии с каскадом с общим истоком для истокового повторителя мо.-кно определить нормированную переходную характеристику в области малых вре-мен Лв*(0 = 1-ехр(-</Тв), где Тв=Тв/=СоРн~/(1-1-5Ра~). Следовательно, з = 0,69тв; 1?ф=2,2тв.

Таким образом все основные характеристики каскада с общим стоком оппеделяются глубиной обратной связи f=l-(-SP . Чем больше крутизна S транзистора тем большее значение F можно получить. Поэтому в таких каскадах необходимо использовать ПТ с возможно большей крутизной.

6.3, Усилители с высокочастотной коррекцией

Площадь усиления и импульсную добротность каскада с общим истоком иа ПТ можно увеличить, используя высокочастотную коррекцию. Одной из наиболее простых схем высокочастотной коррекции для широкополосных и импульсных резисториых каскадов, позволяющих увеличить либо f (или уменьшить Тв), либо усиление каскада, является схема параллельной высокочастотной коррекции индуктивностью.

На рис. 6.7, а приведена схема резнсторного каскада с такой коррекцией. Она осуществляется введением индуктивности L последовательно с резисто-

Рис. 6.7. Схема резнсторного каскада с высокочастотной коррекцией (а) н эквивалентная схема выходной цепи каскада (б)

ром Rc. Как видно нз эквивалентной схе.мы выходной цепи каскада (рис. 6.7,6), для верхних частот корректирующая индуктивность L образует параллельный резонансный контур с емкостью, нагружающей каскад Со= =Свых+Се. в результате полное сопротивление нагрузки выходной цепи усилительного каскада в области высоких частот возрастает, а следовательно, расширяется полоса пропускания каскада и улучшается его частотная характеристика, а также уменьшается время установления импульсных сигналов.

Свойства такого каскада в области средних и низких частот ничем не отличаются от свойств каскада с общи.ч истоко.м. Следовательно, искажения вершины импульса можно оценивать по формулам предыдущего параграфа. Параллельная коррекция индуктивностью неэффективна в каскадах с общи.м стоком из-за их малого выходного сопротивления, шунтирующего резонансный контур, а также в каскадах с ннзкоомной внешней нагрузкой.

Для количественной оценки выигрыша, достигаемого при применении простой высокочастотной коррекции, найде.м переходную характеристику каскада. На высоких частотах нагрузкой каскада является резонансный контур, имеющий проводимость

iMCo/?H + (iM)=iC

Усиление каскада иа высоких частотах

Для упрощения записи обозначим: Xb = CuRc - постоянная времени некор-ректированного каскада; А = L/Co/?c - коэффициент коррекции, равный квадрату добротности резонансного контура. Тогда

Переходная характеристика в операторном виде

Здесь

pi,2

-wr,-=- ±p

PHcZr иГеГмГото?ак47ЛГ!1> P- -ракте-Переход от MoHOTOHHoronponlcca f колебёеТГ характер,

чеиием добротности Q резонансного коитуоа./,п°У ° РеДеляется зна-Со, Rc: контура, ооразованного элементами L,

в?д*;4гг х\ГХГ - характер.

Таблица 6.2. Параметры переходных характеристик для разных кпя*Ам. .о . ------

Рис. 6.8. Переходные характеристики каскада с коррекцией индуктивностью при различных значениях коэффициента коррекции

виде относительно t, а затем найти длительность фронта невозможно. В табл. 6.2 Приведены значения выбросов б и нормированных длительностей фронтов переходных характеристик для некоторых значений k.

На рис. 6,9 показана зависимость нормированной длительности фронта ф/тв, величины выброса Ь и ф = /ф/Ф ор от коэффициента коррекции. Значение выброса однозначно определяется коэффициентом коррекции. Таким образом, допустимое значение выброса в каскаде определяет величину *макг, а тем самым и максимальный выигрыш в длительности фронта. Для Определения выброса переходной характеристики можно использовать выражение 6= (А-0,25)2-100.

Площадь усиления каскада с коррекцией увеличивается в (f{k) раз по сравнению с каскадом без коррекции

2.2/С 2,2/СоФ(й)

-=яф {к).

Это увеличение площади усиления можно использовать для увеличения

.у /Со (увеличивая лс в ф(й) раз) илн ° для уменьшения <ф (оставляя неиз-меной величину лс при включении корректирующей индуктивности).

В [113] даны выражения для частотной и фазовой характеристик как функции нормированной частоты £2 = шлссо, полученные в предположении, что лв>лс и л(>лс:

= 1-bfil-2) + ** ф=-arctgn(l-fe-l-ft2fi2).

На рис. 6.10, 6.11 представлены частотные и фазовые характеристики, полученные при различных значениях коэффициента коррекции. Из рассмотрения переходных, частотных и фазовых характеристик видно, что имеются оптимальные характеристики без значительных выбросов и подъемов. При ft=Q,322 получается оптимальная фазовая, при k=

0,1 0,2 0,3 ОЛ 0,3

Рис. 6.9. Зависимость параметров каскада с иидуктивиой коррекцией от коэффициента коррекции

У ,0

70 SO SO

o,os 0,1 цг

Рис. 6.10 Частотные характеристики каскада с индуктивной коррекцией при различных значениях коэффициента коррекции

О 0,S 1,0 1,S 2,0 j?

Рис. 6 11. Фазовые характеристики каскада с иидуктивиой коррекцией при различных значениях коэффициента коррекции

= 0,35 -оптимальная переходная, а при fe=0,414 - оптимальная частотная характеристики каскада.

Расширение полосы пропускания и уменьшение длительности фронта подчиняются одному и тому же закону, если й0,25.. .0,3. В этой области при расширении полосы в п раз во столько же раз уменьшается длительность фронта. При й>0,41 <ф уменьшается быстрее, чем расширяется полоса.

Наряду с простой коррекцией можно использовать сложную коррекцию с двумя и более корректирующими элементами, включенными различными способами 3 стоковую цепь ПТ (рис. 6.12). Рекомендации по расчету таких

Рис. 6.12. Усилительные каскады иа мощных полевых транзисторах со сложной коррекцией

цепей коррекции даны в [113]. Из схем сложной коррекции наибольший выигрыш дает автотрансформаторная схема коррекции (рис. 6.13,й), обеспечивающая получение наименьшей длительности фронта при малых колебаниях переходной характеристики.

Переходная характеристика каскада с автотрансформаторной коррекцией характеризуется пятью параметрами:

ki=MIRoCo; д;=Свых/Со; Со=Свы1-1-Сн,

где Л1-коэффициент взаимоиндукции между индуктивиостями L1 и L2; Свы1 - выходная емкость каскада. Причем L\ и L2 выполняются в виде одной катушки с отводом, между секциями которой осуществляется взаимоиндукция с коэффициентом М.

На рис. 6.13,6 показан зеркальный вариант схемы автотрансформаторной коррекции. При д:0,5 следует применять основной , а при д;>0,5 зеркальный вариант автотрансформаторной коррекции.

В табл. 6.3 приведены значения параметров коррекции и нормированные длительности фронтов переходных характеристик при критических режимах (6 = 0) и при допустимом выбросе переходной характеристики б=±1%.

Все приведенные данные относятся к схеме с основной автотрансформаторной коррекцией. Для зеркальной коррекции необходимо х заменить иа 1-аг. При д; = 0,3 и при допустимом выбросе переходной характеристики в=±1% эта схема дает в 1,308/0,7=1,87 раз меньшую длительность фронта по сравнению с простой схемой коррекции с параллельной индуктивностью.

При /СоЮ обеспечивается хорошее совпадение расчетных н жспери-меитальиых данных. При больших коэффициентах усиления, а следовательно, при больших индуктивностях начинают сказываться собственные и взаим-