8.3. Нч коррекция

Источником частотных искажений в области НЧ транзисторных усилителей являются разделительные конденсаторы С_р и блокировочные конденсаторы С_Э :

• с уменьшением частоты входного сигнала увеличивается сопротивление емкости и, соответственно, увеличивается падение напряжения на разделительных конденсаторах С_р , в результате чего уменьшается выходное напряжение каскада,

• с уменьшением частоты входного сигнала увеличивается сопротивление емкости С_Э , вследствие чего шунтирование сопротивления R_Э

конденсатором С_Э становится слабее и резистор эмиттерной стабилизации

R_Э образует цепь ООС, снижающую коэффициент усиления каскада.

98

В данном случае коэффициент частотных искажений каскада M_н на

нижней граничной частоте f_н определяется произведением M _н M _нр M_нЭ,

где M_нр – коэффициент частотных искажений, обусловленный влиянием конденсатора С_р , M_нЭ – коэффициент частотных искажений, обусловленный влиянием конденсатора С_Э .

Схема НЧ коррекции в усилительных каскадах

Для расширения полосы пропускания усилительного каскада в сторону низких частот (т.е. для улучшения его частотной характеристики на НЧ и улучшения переходной характеристики каскада в области больших времен – спад вершины импульса) часто используется сглаживающий фильтр в цепи коллектора (рис.8.9).

EП

Rф

Cф

Rк

R1 Cр

Cр

VT1

Uc ~

Rэ

Cэ

Rc

R2

Rн

Cн

Рис.8.9. Принципиальная схема каскада ОЭ с НЧ коррекцией

Принцип действия схемы основан на увеличении сопротивления коллекторной цепи с уменьшением частоты, в результате чего возрастает коэффициент усиления на НЧ. Это компенсирует снижение усиления на НЧ,

обусловленное влиянием разделительного конденсатора С_р и блокировочного конденсатора С_Э . При правильном выборе номиналов корректирующих элементов R_ф и С_ф такая схема позволяет расширить полосу пропускания каскада в сторону НЧ в 3-5 а иногда и более чем в 10 раз, что значительно уменьшает и даже устраняет спад вершины импульсных сигналов.

99

Номиналы корректирующих элементов выбираются таким образом, чтобы в областях СЧ и ВЧ выполнялось неравенство (8.29), а в области НЧ неравенство (8.30).

1

Rф .

j Cф

1

Rф .

j Cф

Ср

Rк

SUвх

yi

Rн

Rф Сф

Рис.8.10. Эквивалентная схема каскада ОЭ с НЧ коррекцией (рис.8.9)

Коэффициент передачи схемы определяется выражением:

K

S

RН

.

yi

1

1

RН

1

R

Rф

RН

1

j Cp

j Cp

К

1+ j R C

ф ф

(8.29)

(8.30)

(8.31)

Для определения оптимальных параметров корректирующих элементов методом Брауде необходимо определить модуль коэффициента частотных искажений в области НЧ:

2

1 a 2

m

2

M

.

(8.32)

1 2

1 m ab 2 2m 4 m2

где

н

,

н

C

R R || R ,

a

Rк

, b

Rк

, m

ф

.

р

н

к

i

Rф

Rн Rк

н

Приравнивая коэффициенты при второй степени частоты в числителе и

знаменателе, получаем выражение для оптимального значения m:

m_opt ab ² 1 a ² 1 ab ² ab. ^(8.33)

100

При	высокоомной нагрузке RН RК				параметр b	RК		0,
						RН RК
следовательно:
	mopt 1 a 2		1.				(8.34)
При выборе параметров корректирующих элементов возможны три
варианта (рис.8.11).
K	3 2		UВых		3
K0					2
	1				1

f t

Рис.8.11. АЧХ и импульсная характеристика каскада ОЭ с НЧ коррекцией (рис.8.9): 1 –

недокоррекция, 2 – оптимальная НЧ коррекция, 3 – перекоррекция

Схема коррекции частотной характеристики в области нижних частот, так

же как и индуктивная ВЧ коррекция, применяется только при высокоомной

нагрузке, т.е. при R_Н и R_i R_К .

Порядок расчёта элементов НЧ коррекции

1. Разработчик должен задать допустимое падение напряжения на сопротивлении R_ф:

UR 0,1 0,15 ЕП .	(8.35)
ф

Эта часть напряжения питания теряется, следовательно, использование элементов НЧ коррекции в оконечных каскадах нецелесообразно в связи с нерациональным использованием энергии источника питания.

2) По закону Ома рассчитывается величина сопротивления R_ф:

	UR
R		ф	.	(8.36)
ф		Iк0

101

3) Определяем коэффициенты a и b:

_a ^RК _, ^Rф

_b ^RК _. R_Н R_К

4) Находим оптимальное значение m:

m_opt ab ² 1 a ² 1 ab ² ab.

5) Определяем постоянную времени цепи НЧ коррекции:

_ф m_{opt Н} .

6) Определяем величину корректирующей емкости:

_ф

^Сф _Rф ^.

(8.37)

(8.38)

(8.39)

(8.40)

(8.41)

Элементы НЧ коррекции помимо основной функции могут выполнять функцию фильтра питания (рис.8.12). Фильтр питания устраняет помехи в цепи питания и исключает проникновение ВЧ составляющей тока коллектора в источник питания. Фактически напряжение питания каскада при этом уменьшается на величину напряжения падающего на сопротивлении фильтра

R_ф:

U Rф Rф IК0 .

(8.42)

Rф

EП

R1

Rк

Cф

Cр

Cр

VT1

Uc ~

Cэ

Rэ

Rc

R2

Rн

Cн

Рис.8.12. Принципиальная схема каскада ОЭ с фильтром с цепи питания

102

Расчёт элементов фильтра питания:

1. Сопротивление R_ф определяется также как и при расчете НЧ коррекции: по допустимому уменьшению напряжения питания (8.35) U_Rф 0,1 0,15 Е_п и постоянному току коллектора I_К0 определяется величина сопротивления

фильтра (8.36) R_ф ^URф .

^Iк0

В случае установки фильтра для нескольких каскадов:

	UR
Rф	ф	.	(8.43)
	I К0VT 1 IК0VT1

2. Емкость конденсатораС_ф рассчитывается на частоту помехи. В случае питания от сети переменного тока частота помехи кратна 50 Гц. При этом, чем больше номинал емкости, тем лучше обеспечивается фильтрация помех источника питания и ВЧ составляющей тока коллектора, поскольку больше постоянная времени фильтрующей цепи. Величина конденсатора С_ф

получается достаточно большой, а, следовательно, имеет значительные габариты.

Фильтры питания рекомендуется устанавливать в многокаскадных усилителях по одному на один два каскада.

Контрольные вопросы

42. Что является критерием оптимальности при выборе оптимальных параметров схем частотной коррекции?

а) Приближение амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) реального усилителя к АЧХ идеального усилителя.

б) Приближение фазово-частотной характеристики (ФЧХ) реального усилителя к ФЧХ идеального усилителя.

в) Приближение амплитудной характеристики (АХ) реального усилителя к АХ идеального усилителя.

г) Получение максимальной площади усиления.

д) Получение минимальных длительности фронта и спада вершины импульса.

103

43. В результате чего происходит расширение полосы пропускания каскада общий эмиттер в сторону высоких частот при индуктивной ВЧ коррекции?

а) В результате увеличения сопротивления нагрузки в области ВЧ.

б) В результате увеличения сопротивления коллекторной цепи в области ВЧ. в) В результате уменьшения сопротивления эмиттерной цепи в области ВЧ. г) В результате уменьшения шумов на ВЧ.

д) В результате уменьшения номинального коэффициента усиления.

43. В результате чего происходит расширение полосы пропускания каскада общий эмиттер в сторону высоких частот при ВЧ коррекции с использованием ООС?

а) В результате уменьшения сопротивления нагрузки в области ВЧ.

б) В результате уменьшения сопротивления коллекторной цепи в области ВЧ. в) В результате уменьшения сопротивления эмиттерной цепи в области ВЧ. г) В результате уменьшения шумов на ВЧ.

д) В результате уменьшения номинального коэффициента усиления.

43. В результате чего происходит расширение полосы пропускания каскада общий эмиттер в сторону низких частот при НЧ коррекции (рис.10.10)?

а) В результате увеличения сопротивления нагрузки в области НЧ.

б) В результате увеличения сопротивления коллекторной цепи в области НЧ. в) В результате уменьшения сопротивления эмиттерной цепи в области НЧ. г) В результате уменьшения шумов на ВЧ.

д) В результате уменьшения номинального коэффициента усиления.

9. Элементы регулировки в усилительных устройствах

1. Регулировка усиления

• процессе эксплуатации усилителей всегда возникает необходимость в различного рода регулировках, которые можно разделить на ручные и автоматические: первые производятся при помощи ручек управления, вторые –

автоматически. Регулировку усиления сигнала (например, громкости воспроизведения звука) можно производить плавно (плавная регулировка) или скачкообразно (ступенчатая регулировка). Наиболее широко используется плавная регулировка усиления, осуществляемая с помощью непроволочных резисторов переменного сопротивления. Ступенчатая регулировка усиления конструктивно сложнее плавной, т.к. требует использования ступенчатого переключателя и большого количества деталей. Ступенчатую регулировку усиления применяют только там, где надежность плавной регулировки оказывается недостаточной или где по техническому заданию необходимо изменять коэффициент усиления скачками в определенное число раз.

104

Регулировка усиления в современных усилителях предназначена для:

1. поддержания коэффициента усиления неизменным при замене усилительных элементов, их старении, изменении питающего напряжения и пр.;

2. изменения уровня выходного сигнала при постоянном уровне входного сигнала или поддержания неизменного уровня выходного сигнала при изменяющемся входном сигнале;

3. предохранения усилителя от перегрузки при чрезмерном увеличении уровня входного сигнала.

Отношение коэффициентов усиления устройства при двух крайних рабочих положениях регулятора усиления называют глубиной регулировки или полным затуханием регулятора и выражают обычно в децибелах или неперах:

D	Kmax	или D [дБ] 20 lgD .		(9.1)
р	Kmin	р	р

Для предотвращения перегрузки усилительных элементов при увеличении амплитуды входного сигнала регулятор усиления вводится в каскады предварительного усиления. Не рекомендуется:

• вводить элемент регулировки усиления в первый каскад, поскольку это увеличивает общий коэффициент шума усилителя;

• вводить элемент регулировки усиления в последний каскад, поскольку это нарушает согласование с нагрузкой, кроме того, возникает опасность перегрузки предыдущих каскадов и возникновения больших нелинейных

искажений.

Основными и наиболее распространенными способами регулировки усиления являются: потенциометрическая регулировка, регулировка изменением положения рабочей точки покоя, регулировка обратной связью.

Потенциометрическая регулировка

При потенциометрической регулировке между источником сигнала и усилительным каскадом, либо между усилительными каскадами включается

105

регулировочный переменный резистор R_р , который изменяет коэффициент деления поданного на него напряжения (рис.9.1).

Rc

С

p

Rp

Ес

Rвх Свх

Rx

Рис.9.1. Потенциометрическая регулировка усиления

Потенциометрическая регулировка сводится к изменению уровня входного сигнала.

Достоинствами плавной потенциометрической регулировки являются простота и возможность получения довольно большой глубины регулировки.

К ее недостаткам относятся изменение частотной и переходной характеристик устройства при изменении положения рукоятки регулятора и появление на выходе устройства шумов при вращении рукоятки регулятора вследствие непостоянства контактного сопротивления ползунка.

В виду того, что ощущение громкости звука пропорционально логарифму уровня сигнала, при использовании регулировки для изменения громкости воспроизведения звука желательно иметь изменение усиления в децибелах [дБ]

пропорциональным углу поворота рукоятки (при работе регулятора на высокоомную входную цепь):

						R
	b[ дБ] A 20 lg K 20lg					p	,
						Rx		(9.2)
		A		b[дБ]
	R R 10 20		R 10 20 .
	x p		p

где А – коэффициент пропорциональности, K – относительное изменение усиления, R_p и R_x – полное и введенное в цепь сопротивления регулирующего резистора соответственно.

Одним из недостатков плавной потенциометрической регулировки является зависимость частотных и переходных искажений каскада от

106

положения регулятора усиления. При крайнем нижнем положении ползунка регулятора сопротивление R_x , с которого снимается напряжение сигнала,

стремится к нулю, а поэтому частотные и переходные искажения, вносимые разделительным конденсатором C_р в таком положении регулятора максимальны.

Искажения в области верхних частот обусловлены увеличением общего эквивалентного сопротивления источника сигнала за счет включения во входную цепь транзистора сопротивления регулятора и, следовательно,

увеличением _в. Частотные и переходные искажения, вносимые эквивалентной входной емкостью следующего каскада, будут наибольшими в том положении ползунка, где выходное сопротивление регулятора максимально.

При нагрузке цепью с невысоким входным сопротивлением R_Вх

(например, входной цепью транзистора с общим эмиттером) увеличение громкости передачи по закону, близкому к линейному, при вращении рукоятки регулятора по часовой стрелке позволяет получить регулировку усиления последовательным переменным резистором (рис. 9.2).

Сp

Rc

Rp

Ес

Rвх Свх

Рис.9.2. Схема потенциометрической регулировки усиления последовательным переменным

резистором

При заданной глубине регулировки D_р необходимое сопротивление резистора регулятора R_р для схемы на рис.9.2 определяется выражением:

Rр Rc RВх Dр

(9.3)

При использовании регулятора с последовательным переменным резистором наибольшие частотные и переходные искажения от конденсаторов

С_р и С_Э получаются при замкнутом накоротко R_р (наибольшая громкость), а

107

наибольшие искажения от влияния С_Вх при полностью введенном R_р

(наименьшая громкость).

Если усилитель должен иметь несколько фиксированных, строго определенных значений коэффициента усиления, что, например, требуется в измерительной аппаратуре для изменения пределов измерения, используют ступенчатую потенциометрическую регулировку усиления (рис.9.3).

Источник Uс сигнала

R1

R2

UВх

R3

R4

Рис.9.3. Ступенчатая потенциометрическая регулировка усиления

В измерительной аппаратуре изменение усиления при переключении регулятора на соседнюю ступень обычно берут в 2, 3 или 10 раз (скачок регулировки 6, 10 или 20 дБ) в соответствии с предъявленными к прибору требованиями. При использовании такой регулировки в высококачественной и высоконадежной звуковой аппаратуре скачок регулировки берут таким, чтобы он практически не ощущался на слух (1,5÷2,5 дБ).

Ступенчатую регулировку можно сделать из ряда последовательно соединенных резисторов (рис. 11.4) или из ряда отдельных делителей.

Ступенчатая потенциометрическая регулировка с отдельными делителями становится частотнонезависимой, т.е. не вносит ни частотных, ни переходных искажений, если произведение емкости, шунтирующей верхний резистор ступени деления, на сопротивление этого резистора равно произведению емкости, шунтирующей нижний резистор, на его сопротивление.

Достоинством ступенчатой потенциометрической регулировки усиления является возможность получения очень большой глубины регулировки,

достигающей при хорошо сконструированном регуляторе 100÷120 дБ.

108

Регулировка усиления за счёт ООС

Регулировка усиления за счёт ООС осуществляется при введении в каскад ООС с регулируемым фактором ОС. Простейшей схемой регулировки усиления обратной связью является схема с введенным в цепь эмиттера резистором с переменным сопротивлением, незашунтированного конденсатором (рис.9.4).

^Eпит

R1 Rк

Ср

Ср

Uвх

R2 R_эС_э R_н

^R_д ^Сд

Рис.9.4. Схема каскада ОЭ с регулировкой усиления за счет ООС

При увеличении введенного в цепь эмиттера резистора R_д увеличивается глубина вносимой этим резистором ООС и усиление каскада снижается.

Напряжение смещения входной цепи при этом практически не меняется, и

положение рабочей точки покоя остается неизменным.

Регулировка усиления за счёт ООС не увеличивает, а уменьшает вносимые каскадом нелинейные искажения.

Недостатком регулировки усиления за счёт ООС является возможность появления сильного подъема частотной характеристик каскада на очень высоких частотах или большого выброса фронта импульса при большой глубине регулировки усиления. Этот подъем происходит вследствие шунтирования регулирующего усиление резистора емкостью С_д (пунктир на рис.9.4), представляющей собой сумму собственной емкости резистора R_д и

емкости его монтажа. Емкость С_д , несмотря на ее малую величину (5÷10 пФ у транзисторного каскада), замыкает R_д на очень высоких частотах, ослабляя

109

обратную связь и поднимая усиление относительно номинального значения,

аналогично эмиттерной высокочастотной коррекции.

Регулировка усиления за счёт изменения положения рабочей точки

транзистора

Коэффициент усиления устройства можно регулировать, меняя напряжение смещения во входной цепи одного из активных элементов. При этом будет изменяться положение точки покоя на характеристике усилительного элемента и крутизна характеристики выходного тока в точке покоя, а, следовательно, и коэффициент усиления каскада. Регулировка усиления такого типа называется также регулировкой усиления изменением режима.

При переключении нижнего конца резистора, подающего смещение на базу, с верхнего конца R_д (рис.9.4), на общий провод усиление регулируется как обратной связью, так и смещением (рис.9.5). Такая комбинированная регулировка позволяет получить глубину до 20÷25 дБ.

^Eпит

R1 Rк

Ср

Ср

Uвх

R2 R_эС_э R_н

R_р

Рис.9.5. Схема каскада ОЭ с регулировкой усиления смещением рабочей точки

Принцип действия такой регулировки основан на том, что при введении в

цепь эмиттера сопротивления R_р точка покоя опускается, что уменьшает

крутизну характеристики коллекторного тока, а, следовательно, снижает и усиление каскада. Этот способ не позволяет получить глубокую регулировку усиления, так как при чрезмерном снижении точки покоя она попадает на

110

существенно нелинейный участок характеристики транзистора, что вызывает сильное увеличение вносимых каскадом нелинейных искажений и неравномерность изменения усиления.

Чтобы регулировка изменением режима не увеличивала вносимые устройством нелинейные искажения, ее вводят в каскады с малым уровнем входного сигнала (не выше 5÷10 мВ для транзисторов).

Достоинствами регулировки усиления изменением режима являются:

• очень малое изменение частотных и переходных характеристик устройства при изменении усиления, отсутствие дополнительных шумов при движении ползунка регулятора;

• отсутствие токов сигнала в резисторе R_р , шунтированном блокировочным конденсатором С_э большой емкости, позволяет выносить регулятор из каскада, т.е. допускает дистанционное управление усилением.