5.8. Широкополосные усилители

В современной РЭА (телевизионной, измерительной, системах телеуправления, импульсных радиолокаторах и т. д.) широкое применение находят усилители сигналов, спектр частот которых находится в пределах от звуковых до частот в несколько мегагерц, а в некоторых случаях - до десятков и сотен мегагерц. Такие усилители называются широкополосными.

К широкополосным усилителям относятся и усили­тели видеоимпульсов, или видеоусилители (ВУС), так как частотный спектр видеоимпульсов содержит большое ко­личество гармоник с различными частотами. Схема ВУС такая же, как и усилителя напряжения (см. рис. 5.14), отличается лишь значениями элементов.

Физические процессы в ВУС. Рассмотрим физические процессы, происходящие в видеоусилителе на полевых транзисторах (рис. 5.14, а) при поступлении на его вход прямоугольного импульса, используя графики, приведен­ные на рис. 5.23.

До момента t₁ усилитель находится в режиме покоя, который характеризуется напряжением и_зи=U_зио, и_си=U_сио, и_ср2= U_сио. В момент t₁ напряжение затвора скачком уменьшается, что вызывает увеличение напря­жения и_си. Паразитная емкость С = С_вых + С_м + С_вх.д.сл препятствует скачкообразному увеличению напряжения и_си, напряжение и_си увеличивается по экспоненциаль­ному закону:

(5.26)

Рис. 5.28 Графики изменений напря­жений d ВУС при усилении отрица­тельного прямоугольного импульса.

по мере зарядки паразитной емкости С по цепи +Е_с →R_с→C→C_и→ –Е_с с по­стоянной времени τ_в, опреде­ляемой выражением (5.18).

Одновременно с зарядкой емкости С начинается за­рядка разделительного кон­денсатора С_р2 по цепи +Е_с →R_с→ С_р2→R_з.сл→ –Е_с с по­стоянной времени τ_н опреде­ляемой выражением (5.23). Напряжение на конденсаторе С_р2 будет изменяться по закону

(5.27)

Так как τ_н » τ_в, то зарядка С_р2 будет продолжаться и после того, как емкость С полностью зарядится до зна­чения

В интервале времени t₁...t₂ происходит формирование фронта выходного импульса. При этом, как видно из схемы, и_вых.ф=и_СИ – и_Ср2. Можно считать, что за это время напряжение на конденсаторе С_р2 не изменилось и оста­лось равным U_СИО. Следовательно, формирование фронта выходного импульса с учетом выражения (5.26) будет происходить по закону

(5.28)

В интервале времени t₂...t₃ формируется вершина вы­ходного импульса. Так как при этом и_СИ = U_Сиmax = U_СИО + U_mСИ с учетом выражения (5.27) выходное напряжение изменяется по закону

(5.29)

С момента времени t₃ рабочая точка возвращается в положение, характеризующее режим покоя. Ток стока увеличивается, а напряжение и_СИ уменьшается по мере разрядки емкости С через транзистор и резистор R_з.сл. Выходное напряжение убывает до нуля при установлении равенства и_с = и_Ср2. После этого начинает разряжаться конденсатор С_р2, ток разрядки которого протекает через резистор R_з.сл в направлении, противоположном направ­лению тока зарядки, образуя в выходном напряжении отрицательный выброс.

В ВУС на БТ (рис. 5.14, б) процессы при усилении видеоимпульсов протекают аналогично, однако искаже­ния формы усиливаемых прямоугольных импульсов вы­зываются не только зярядкой и разрядкой емкостей С и С_р2, но и физическими процессами, происходящими в самом транзисторе.

Параметры, используемые для оценки искажений в ВУС. Из рис. 5.24 видно, что отличия выходного импульса от прямоугольного проявляются в меньшей кру­тизне фронта, спаде, или завале, вершины и появлении отрицательного выброса. Амплитуда отрицательного вы­броса пропорциональна спаду вершины ΔU_вых, поэтому для оценки искажений выходного импульса чаще всего применяются

Рис. 5.24. Форма выходного импульса напряжения видеоусилителя

два параметра: время установления, или длительность фронта, и относительный спад вершины.

Временем установления t_y называют время, в течение которого выходное напряжение усилителя изменяется от 0,1 до 0,9 значения напряжения в установившемся ре­жиме U_mСИ или в соответствии с рис. 5.24, t_y = t_0,9 – t_0,1 . Так как при формировании фронта выходное напряжение изменяется по закону (5.28), то на основании этого можно записать:

Решая эти уравнения относительно t_0,1 и t_0,9, получаем

t_y = t_0,9 – t_0,1 = τ_вln9 ≈ 2,2τ_в (5.30)