7.2. Анализ импульсного усилителя в области малых времен

Если при анализе предварительных усилителей низкой частоты нас интересовали частотные характеристики и частотные искажения, то в импульсных усилителях основной характеристикой является пе­реходная характеристика и ее количественные показатели. Поэтому для анализа импульсных усилителей применяется временной метод. При этом в целях упрощения анализа рассматривают отдельно переходную характеристику в области малых времен и в области больших времен.

Область малых времен - это область больших частот, так как . Следовательно, для анализа переходной характеристики в области малых времен необходимо рассматривать эквивалентную схе­му усилителя в области высоких частот, рис.7.3., гдеE=SU_вхR_н

Рис.7.3.Эквивалентная схе­ма усилителя в области ВЧ.

Изменение после подачи на вход скачка напряжения определяет­ся процессом заряда емкостиC₀. Разделительная емкость С1 имеет большой номинал и заряжается значительно медленнее. Следовательно, за время уста­новления t_у разделительная емкость С1 почти не успевает заря­диться и напряжение на ней близко к нулю. Поэтому влиянием С1 можно пренебречь и заменить коротким замыканием. Влиянием иR1 можно пренебречь, так как в импульсных усилителях выполняются условия .

При подаче на вход единичного импульса (Uвх=1) выходное напряжение на емкости будет изменяться по экспоненте:

(7.2)

С учетом того, что SR_н=K₀, нормированная переходная характеристика равна

(7.3)

Согласно выражению (7.3) можно построить график переходной характеристики в области малых времен (рис.7.4).

Рис.7.4. График переходной характеристики в области малых времен.

Основным количественным параметром импульсного усилителя в области малых времен является время установления, в течение кото­рого возрастает от уровня 0,1 до 0,9. Определим время установления:

(7.4)

Из выражения (7.4) видно, что время установления определяет­ся элементами C₀ и . Для уменьшения времени установления необ­ходимо понизить номинал паразитной емкости и сопротивления нагрузки. В последнем случае уменьшается коэффициент усиления.

Время установления зависит от верхней гра­ничной частоты:

(7.5)

Время установления многокаскадного усилителя определяется выражением:

(7.6)

Если известны количество каскадов и общее время установле­ния, то легко определить время установления одного каскада

(7.7)

7.3. Анализ импульсного усилителя в области больших времен

Область больших времен - эта область низких частот. Низкими частотами формируется плоская вершина импульса. В области больших времен влиянием C_о можно пренебречь, так как C_о зарядится мгновенно (за время ) и за время длительности импульса τ_и не будет оказывать своего влияния. Поэтому эквивалентная схема импульсного усилителя в области больших времен имеет вид, рис.7.5.

Рис.7.5. Эквивалентная схема ИУ в области больших времен.

Емкость С1 имеет большой номинал, поэтому заряжается медленно. По мере заряда С1 напряжение U_С1 возрастает, вследствие чего уменьшается . Таким образом, за счет процесса заряда емкостиС1 происходит спад плоской вершины импульса на выходе усилителя.

Рассмотрим количественный анализ переходной характеристики в области больших времен. Считаем, что на вход усилителя поступает единичный импульс (7.1). В момент времени:

1.t=0; X_С1=0; U_С1=0 выходное напряжение определяется:

, где R=R_эR1/ (R_э+ R1)

2. t > 0; где

По условию анализа U_вх=1, следовательно, переходная характеристика в облости больших времен определяется выражением:

(7. 8)

Нормированная переходная характеристика в области больших времен при подаче на вход единичного импульса U_вх =1;

(7.9)

Согласно выражению (7.9) можно построить график переходной характеристики в области больших времен, рис.7.6

Рис.7.6. График переходной характеристики ИУ в области больших времен

За счет влияния переходная характеристика имеет спад плоской вершины: абсолютный спадΔ_сп =h(0)-h(_и), относительный спад:

(7.10)

Применив разложение в ряд Маклорена (так как ) и ограничиваясь первыми двумя членами ряда, получим:

(7.11)

Из выражения (7.11) видно, что для улучшения переходной характеристики в области больших времен , т.е. для уменьшения , необходимо увеличить_н, т.е. увиличить номинал С1.

В многокаскадных усилителях общий спад равен

Следовательно, спад плоской вершины одного каскада можно определить выражением ₁=_общ/n, где n-количество каскадов.