Простейшие схемы коррекции АЧХ и ПХ

Целью коррекции является расширение диапазона рабочих частот, как в области ВЧ, так и в области НЧ в усилителях гармонических сигналов, либо уменьшение искажений в областях МВ и БВ в усилителях импульсных сигналов.

В области ВЧ (МВ) применяется простая параллельная индуктивная коррекция. Более сложные варианты индуктивной коррекции применяются редко из-за сложности настройки и трудности при реализации УУ в микроисполнении.

Схема каскада с простой параллельной индуктивной ВЧ-коррекцией на ПТ со схемой для области ВЧ (МВ) приведены на рисунке 2.41.

Рисунок 2.41. Каскад на ПТ с простой параллельной коррекцией

 

Физически эффект увеличения f_в объясняется относительным увеличением коэффициента передачи на ВЧ за счет увеличения эквивалентной нагрузки каскада (путем добавления индуктивного сопротивления Z_Lс в цепь стока). Эффект уменьшения t_у объясняется увеличением тока через емкость C_н (что сокращает время ее заряда и, следовательно, уменьшает t_у) за счет того, что в начальный момент выходной ток транзистора практически весь направляется в цепь R_нC_н, его ответвлению в стоковую цепь препятствует ЭДС самоиндукции в индуктивности L_с.

В [6] приводятся основные выражения для расчета каскадов с простой индуктивной параллельной ВЧ коррекцией для случая, когда R_н >> R_с, что практически всегда имеет место в промежуточных каскадах на ПТ:

После преобразования получаем:

где Ω — нормированная частота, Ω = ωτ _в, τ_в = R_сC_н;

m — коэффициент коррекции, по физическому смыслу представляющий собой квадрат добротности (Q_к) параллельного колебательного контура L_сR_сC_нR_н (см. рисунок 2.41б), m ≈ L_с /(C_нR_н ²)= Q_к ².

Модуль полученного выражения дает АЧХ корректированного каскада:

Максимально плоская АЧХ получается, когда m=0,414 [6]. Данное условие вытекает из равенства нулю производной Y_в (Ω) при Ω=0, т.е. АЧХ не должна иметь наклона в точке W=0.

ФЧХ корректированного каскада определяется выражением:

φ_в = arctg[(m – 1)Ω – m ²Ω³].

ФЧХ максимально линейна, если m=0,322 [6]. Добротность Q_к =0,5 соответствует границе между апериодическими и колебательными разрядами конденсатора контура L_сR_сC_нR_н, поэтому при m≤0,25 выброса в ПХ не будет, т.к. не будет затухающих колебаний в контуре.

На рисунке 2.42 приведены нормированные АЧХ и ПХ каскадов на ПТ с простой параллельной индуктивной коррекцией для различных коэффициентов коррекции m.

Рисунок 2.42. АЧХ и ПХ каскадов с простой параллельной индуктивной коррекцией

 

Для оценки эффективности УУ вводят понятие площади усиления П для ШУ и импульсной добротности D для ИУ:

Π; = K ₀· f_в,

D = K ₀/ t_у,

Π; = 0,35· D.

Как видно из рисунка 2.42, максимальный выигрыш по этим параметрам в каскаде на ПТ для рассмотренного варианта коррекции и отсутствии подъема АЧХ на ВЧ (выброса ПХ в области МВ), составляет 1,73 [6] раза. Следует подчеркнуть, что данный выигрыш получается при условии когда R_н >> R_с, что обычно имеет место при использовании каскада на ПТ в качестве промежуточного в УУ.

В каскадах на БТ (схема не приводится ввиду ее подобия рисунку 2.41) анализ эффективности простой параллельной индуктивной коррекции сложнее из-за необходимости учета частотной зависимости крутизны БТ, .

Выражение для относительного коэффициента передачи имеет вид [6]:

здесь τ_в =τ+τ₁+τ₂ — постоянная времени каскада без коррекции на ВЧ; m = L_с (R_к · τ_в) — коэффициент коррекции; х =(τ+τ₁)/ τ_в — отношение составляющих постоянной времени каскада.

Данное выражение не позволяет однозначно оценить выигрыш, даваемый простой параллельной индуктивной коррекцией в каскадах на БТ, поэтому либо приходится прибегать к помощи ЭВМ, либо пользоваться таблицами, приведенными, например, в [6]. Анализ показывает, что выигрыш в площади усиления (импульсной добротности) может достигать величины, равной 0,5 S ₀ r_б, т.е. величины, большей двух раз (теоретически до 20, практически 2…10).

Анализ так же показывает, что простая параллельная индуктивная коррекция в каскаде на БТ наиболее эффективна при малых х, что соответствует случаю применения относительно низкочастотных транзисторов.

В целом же следует заметить, что, несмотря на некоторую эффективность, простая параллельная индуктивная коррекция в современной схемотехнике УУ используется редко. Это объясняется, в первую очередь, технологическими трудностям реализации индуктивностей в ИМС, и сильной зависимостью эффекта коррекции от параметров транзистора, что требует подстройки схемы в случае их разброса. Возможно использование вместо катушки индуктивности индуктивного входного сопротивления каскада с ОБ (рисунок 2.43).

Рисунок 2.43. Коррекция входным сопротивлением каскада с ОБ

 

Индуктивность транзистора VT2 между эмиттером и общим проводом равна:

L = (r_б + R)/2π f_Tk,

где k=(1,2…1,6).

Резистор R служит для увеличения индуктивности и ее подстройки (при гибридно-пленочной технологии лазерной подгонкой или выносными резисторами).

В области НЧ (БВ) находит применение коррекция коллекторным (стоковым) фильтром.

Схема каскада с НЧ-коррекцией на БТ и его упрощенная (учитывающая влияние только C_{p 2}) схема для области НЧ изображены на рисунке 2.44.

Физически уменьшение f_н объясняется относительным увеличением коэффициента передачи в области НЧ за счет увеличения эквивалентной нагрузки каскада путем добавления емкостного сопротивления Z_Cф в цепь коллектора на НЧ. Эффект уменьшения спада плоской вершины импульса Δ поясняется эпюрами напряжения, приведенными на рисунке 2.44б.

Рисунок 2.44. Каскад на БТ с НЧ-коррекцией

 

В идеальном случае, при R_ф =∞, условием коррекции будет равенство постоянных времен R_кC_ф и R_нC_{p 2} [6]. В реальных схемах рекомендуется брать R_ф =(1…2) R_к, для подъема вершины импульса на (10…20)% можно воспользоваться соотношением:

Δ^↑ ≈ T_и /(R_нC_ф).