Импульсные усилители назначение виды схемы принцип действия

При реализации импульсных режимов усиления мощности находит применение последовательно параллельная схема преобразователя, то есть схема, содержащая два регулирующих элемента. Объясняется это тем, что нагрузка импульсного усилителя, как правило, носит активно-индуктивный характер ( -нагрузка). Поэтому обязательным условием его работы является обеспечение цепей протекания тока нагрузки в течение всего периода коммутации. Рассмотрим некоторые типовые схемы усилителей мощности. При этом будем полагать, что в качестве управляющего ключа используется, например, биполярный транзистор.

Схема с замыкающим диодом – это схема с одним управляемым и одним не управляемым ключами (рис. 6.9.). На интервале импульса транзисторный ключ включен и к нагрузке ( ) прикладывается напряжение питания ( ). Ток нагрузки ( ) возрастает.

Рис.6.9. Схема импульсного усилителя с замыкающим диодом.

При выключении транзистора попытка уменьшить ток индуктивности нагрузки приводит к появлению противоЭДС, открывающей неуправляемый ключ (диод ) и ток нагрузки ( ) начинает уменьшаться.

Согласно приведенному описанию, на нагрузке может быть сформирована последовательность однополярных импульсов различной длины, то есть в схеме реализуем только первый импульсный режим регулирования мощности.

Схема с замыкающим транзистором. Если в схеме рис.6.9 неуправляемый ключ (диод )заметить на управляемый(например, транзистор ) и использовать два источника питания, получим схему, позволяющую реализовать все режимы импульсного регулирования мощности (рис.6.10.)

Рис.6.10. Схема импульсного усилителя с замыкающим транзистором.

В данной схеме, если один из транзисторов ( или ) постоянно заперт, то реализуется первый импульсный режим при положительном (заперт ) или отрицательном (заперт ) напряжении на нагрузке. Если транзисторы управляются в противофазе, реализуется второй импульсный режим. Если транзисторы управляются в противофазе и существует интервал, когда они оба заперты, реализуется третий импульсный режим. В этом случае, на интервале пауза, ток нагрузки замыкается через соответствующие диоды ( или ).

Недостатком этой схемы является необходимость двух источников питания различной полярности. От этого недостатка свободна мостовая схема усилителя мощности.

Мостовая схема.В данной схеме каждый вывод нагрузки подключен к выходу своей схемы усилителя с замыкающим транзистором (рис.6.11). При этом транзисторы и , а так же и , работают синхронно. В схеме реализуются все три режима усиления мощности. Например, если переключать транзисторы и , в схеме реализуется первый импульсный режим при положительном токе нагрузки. Если коммутировать транзисторы и — реализуется первый импульсный режим при отрицательном токе нагрузки. Противофазное управление парами транзисторов , , и , — реализует или второй (пауза между импульсами отсутствует) либо третий (управление с паузой) импульсный режимы.

Рис.6.11. Мостовая схема импульсного усилителя.

Генераторы.

Генератором электрических колебаний называется устройство, преобразующее энергию источника постоянного тока в энергию переменного тока требуемой формы. В зависимости от формы выходного напряжения различают генераторы гармонических колебаний и генераторы негармонических колебаний (импульсные или релаксационные генераторы).

Не зависимо от формы выходного напряжения любой генератор может работать в одном из двух режимов: режиме автоколебаний или режиме запуска внешними импульсами. Генератор, работающий в режиме автоколебаний, обычно называют автогенератором. Выходное переменное напряжение формируется на его выходе сразу после подключения напряжения питания и не требует для начала работы подачи внешнего управляющего воздействия.

Генераторы, работающие в режиме запуска внешними импульсами, после подключения источника питания могут, сколь угодно долго, находится в устойчивом состоянии, не формируя выходное переменное напряжение. При подаче управляющего сигнала на вход такого генератор, на его выходе формируется одиночный импульс, параметры которого полностью определяются собственными характеристиками устройства. Такой режим работы часто называют ждущим или заторможенным а реализующие его устройства —одновибраторами.

В соответствии со сказанным, автогенераторный режим работы применяется в устройствах, используемых в основном в качестве задающих генераторов, а ждущий режим – в устройствах, преобразующих форму импульсов к требуемому виду.

Области использования импульсных усилителей весьма многочисленны. Особенно широко импульсные усилители применяются в радиотехнических устройствах, в системах автоматики и вычислительной техники, в приборах экспериментальной физики и в измерительных прецезионных приборах.

Многообразие назначений усилителей порождает различия в требованиях, которым должен отвечать усилитель в том или другом случае. В связи с этим усилители могут различаться между собой как по числу активных элементов (транзисторов или ламп) и особенностям электрической схемы, так и по конструкции. Несмотря на это можно наметить некоторую общую линию, которой представляется удобным придерживаться при проектировании усилителей.

Проектирование многокаскадного усилителя характеризуется в первую очередь тем, что решение не является однозначным. В связи с ним возникает задача выбора оптимального варианта. Решая вопрос о том, какому варианту следует отдать предпочтение, необходимо, выполняя электрический расчет, принимать во внимание также и дополнительные соображения, которые связаны главным образом с условиями производства усилителя и условиями его эксплуатации.

Общей задачей проектирования является отыскание наиболее простого, экономичного решения. Сложность проектирования как раз и заключается в том, чтобы найти это относительно простое решение.

При проектировании усилителя задачу выбора схемы и параметров отдельных каскадов следует рассматривать как частную, подчинив ее общей задаче — выполнению технических требований к усилителю в целом. Поэтому рационально, исходя из общих технических требований, формулировать частные, технические условия к отдельным каскадам усилителя или к усилительным секциям и вести их расчет па основании этих частных условий, которые должны находиться в определенной связи друг с другом.

Быстрое совершенствование полупроводниковых триодов, непрерывное повышение верхней границы частотного диапазона, в котором они могут использоваться, сделало возможным конструирование транзисторных импульсных усилителей.

По сравнению с лампами полупроводниковые триоды имеют значительно больший срок службы, потребляют меньшую мощность от источника питания, обладают меньшим весом и габаритами, устойчивы к динамическим нагрузкам. Но им свойственны и недостатки, из которых прежде всего следует отметить большой разброс параметров, зависимость параметров от температуры окружающей среды, значительную внутреннюю обратную связь и малое входное сопротивление. Эти особенности транзисторов необходимо учитывать при проектировании.

Структурная схема усилителя импульсных сигналов дана на рис. 2.1

Рис. 2.1. Структурная схема импульсного усилителя: каскады 1- (n-1) — предварительные; каскады 2 — (n-1) — также и промежуточные.

Блок предварительного усиления включает входной (первый), каскад или входную (первую) усилительную секцию, а также промежуточные каскады или промежуточные усилительные секции. В общем случае блок предварительного усиления может содержать как отдельные каскады, так и усилительные секции.

Параметры входной цепи зависят от данных выходного (внутреннего) сопротивления источника сигнала Z_г и данных входного сопротивления первого каскада. Входное сопротивление последнего, как известно, зависит от выбора активного элемента и схемы его включения, а также от наличия или отсутствия цепи отрицательной обратной связи, охватывающей первый каскад. В отношении входной цепи приемлемым следует считать такое решение, при котором коэффициент передачи входной цепи был бы по возможности ближе к единице, а время нарастания фронта импульса было бы меньше или не превышало бы (при отсутствии особых обстоятельств) время установления предварительного каскада усиления.

Расчет входной цепи и первого каскада можно выполнить как раздельно, так и совместно. Следует отметить, что применение высокочастотной коррекции в первом каскаде позволяет (благодаря ускоренной реакции первого каскада) компенсировать относительно медленное нарастание фронта импульса во входной цепи при большом внутреннем сопротивлении источника сигнала. Иногда для уменьшения времени установления входной цепи перспективно применение на входе усилителя гибридной усилительной секции, сочетающей каскады на полевом и биполярном транзисторах, использование которой позволяет улучшить показатели усилителя.

Выходной каскад осуществляет связь усилителя с нагрузкой. Расчет выходного каскада и выбор режима его работы, в отличие от остальных каскадов, связан со следующими особенностями: 1) необходимостью получения на данном сопротивлении нагрузки усилителя импульса напряжения определенной амплитуды и полярности; 2) необходимостью максимально использовать возможности активного элемента, поскольку этому в большинстве случаев соответствует экономически наиболее выгодное решение; 3) необходимостью выбрать схему каскада и режим активного элемента по постоянному и переменному токам так, чтобы время установления в выходном каскаде при допустимом выбросе не составляло бы слишком большой части общего времени установления усилителя (желательно не более 60%), так как иначе потребовалось бы большее число каскадов (или усилительных секций) в блоке предварительного усиления, а также усложнилась бы схема каскадов.

Предварительное усиление обычно выполняется на одинаковых каскадах или усилительных секциях (исключение составляет иногда первый каскад или первая входная усилительная секция).

При одинаковых каскадах или секциях можно более точно определить основные параметры блока предварительного усиления (коэффициент усиления, время установления фронта импульса и выброс) даже тогда, когда выброс в переходной характеристике значителен.

Применение усилительных секций с цепями отрицательной обратной связи разного вида способствует более стабильной работе блока предварительного усиления и всего усилителя. Если к стабильности работы усилителя не предъявляются слишком жесткие требования, допустимо использование усилительных секций с взаимно корректированными каскадами.

Выбор типа активного элемента (биполярный транзистор, полевой транзистор, лампа) обычно не представляет трудностей. Разработка биполярных транзисторов с высокой верхней граничной частотой значительно ограничила использование электронных ламп в высокочастотной аппаратуре и, в частности, в схемах импульсных усилителей.

С микроминиатюризацией радиоаппаратуры и совершенствованием технологии ее производства выявились новые особые требования к конструктивным параметрам активных элементов, которым вакуумные приборы не удовлетворяют. В современных импульсных усилителях преимущественно используются биполярные транзисторы, имеющие высокую добротность. Полевые транзисторы характеризуются значительно меньшей добротностью чем биполярные транзисторы и лампы, что обусловлено сравнительно малой крутизной характеристики тока стока и большой входной динамической емкостью. Указанное существенно ограничивает область самостоятельного использования полевых транзисторов (не в сочетании с биполярными) особыми случаями, когда применение других активных элементов по условиям эксплуатации неприемлемо. Укажем здесь, что по сравнению с биполярными транзисторами полевые транзисторы характеризуются повышенной радиационной стойкостью, а также способны работать в условиях широкого изменения температуры внешней среды. В частности, полевые транзисторы успешно работают при весьма глубоком охлаждении, причем их электрические параметры при этом улучшаются. Это позволяет применять их в приборах, предназначенных для исследований в области физики низких температур.

Для усиления сигналов импульсной или сложной формы необходимы усилители, способные работать в широкой полосе частот (от единиц Герц до многих МегаГерц). Анализ таких усилителей проводят в предположении, что на их входы подаются идеальные импульсы прямоугольной формы. Импульсный сигнал прямоугольной формы характеризуется широ­ким спектром гармонических составляющих. Передний и задний фронты импульса определяются высокочастотной частью спектра, а вершина импульса – его низкочастотной частью. Следовательно, для малоискаженной передачи фронтов импульса необходимы усилители с хорошими высокочастотными свойствами (большими значениями верхней рабочей частоты), а для малоискаженной передачи плоской вершины требуются усилители с малыми значениями нижней частоты (в идеальном случае f_н = 0, что характерно для усилителей постоянного тока).

Таблица 4.3 – Импульсные усилители

Вариант	Принципиальная схема	Эквивалентная схема	Вид АЧХ
а) б)

Для построения импульсных усилителей необходимы широко­полосные каскады усиления. Показателем качества широкополос­ного каскада усиления является его площадь усиления

где К — коэффициент усиления на средних частотах;

f_{В ГР} — верх­няя граничная частота.

Для построения широкополосных усилите­лей используются усилительные приборы с максимальным отно­шением крутизны к емкости, нагружающей каскад С, что следует из выражения: S_yc = S/(2pC).

До разработки интегральных усилителей импульсные усилите­ли выполнялись на основе каскадного соединения резисторных каскадов усиления, обладающих хорошими частотной, фазовой и переходной характеристиками. Дополнительно для расширения полосы усиливаемых частот в резистивных каскадах использова­лись цепи коррекции. Данные о резистивных каскадах с низкочас­тотной и высокочастотной коррекциями приведены в таблице 4.3 (варианты а) и б) соответственно).

Низкочастотная коррекция осуществляется цепочкой С_фR_ф, включенной в выходную цепь каскада. Такая схема коррекции удобна тем, что цепочка С_фR_ф одновременно выполняет роль развязывающего фильтра, защищающего каскад от паразитной обратной связи через общий источник питания. Как видно из эквивалентной схемы, приведенной в таблице 4.3 (вариант а), эквивалентное сопротивление нагрузки R_э образовано параллель­ным соединением внутреннего сопротивления транзистора R_i, сопротивления внешней нагрузки R_н и выходной цепи, образован­ной резистором R_с и цепочкой С_фR_ф. Емкость С_ф берут такой, чтобы на средних и верхних частотах ее сопротивление было мало по сравнению с сопротивлением R_c. При понижении частоты полное сопротивление цепочки С_ФR_Ф увеличивается и, следовательно, возрастает и эквивалентное сопротивление нагрузки каскада. Это приводит к увеличению коэффициента усиления каскада в области низких частот: К_u = S_п.т R_э. Таким образом, будет скомпенсировано снижение усиления на низких частотах из-за влияния емкости конденсатора межкаскад­ной связи. При соответствующем выборе элементов С_фR_ф схема низкочастотной коррекции позволяет расширить полосу пропуска­ния каскада в области низких частот от 3 до 5 раз.

Эффективность действия низкочастотной коррекции повышается с уменьшением отношения сопротивлений R_c/R_ф а также с увеличением коэффициен­та низкочастотной коррекции К_НЧ = С_ФR_С/(СR_Н). Характеристика с наиболее широкой полосой усиливаемых частот, но без подъема, соответствует при R_С/R_Ф = 0,5 коэффициенту К_НЧ = 1,4.

Два способа высокочастотной коррекции позволяет реализовать схема, приведенная в таблице 4.3 (вариант б). Первый способ осуществляется включением корректирующей индуктивности L последовательно с резистором R_С. Как видно из эквивалентной схемы, эта индуктивность образует с эквивалентной емкостью С, нагружающей каскад, параллельный колебательный контур. Ин­дуктивность катушки L выбирается малой, поэтому ее влияние сказывается только в области верхних частот. Вид частотной характеристики зависит от выбора коэффициента высокочастотной коррекции K_в.ч = L/CR 2 _С. Эффективность высокочастотной коррек­ции возрастает с увеличением коэффициента К_в.ч. При К_в.ч = 0,414 наблюдается подъем в области верхних частот.

а) схема

б) АЧХ

Рисунок 4.7 – Усилитель с распределенным усилением

Второй способ высокочастотной коррекции реализуется при соответствующем выборе элементов цепи истока: емкости конденсатора С_и и сопротивления резистора R_и. Включение резистора R_и в цепь истока транзистора приводит к возникновению в каскаде последовательной ООС, уменьшающей усиление в широкой полосе частот. Включение конденсатора малой емкости С_и параллельно R_и приводит к ослаблению глубины ООС лишь на верхних частотах. Это увеличивает усиление каскада на верхних частотах, компенсируя его уменьшение от влияния емкости С, нагружаю­щей каскад. Использование высокочастотной коррекции позволяет увеличить площадь усиления каскада от 1,5 до 2 раз.

При необходимости создания мощных усилителей импульсных сигналов применяют специальные технические решения. Парал­лельное соединение усилительных приборов не решает задачи, так как несмотря на рост эквивалентной крутизны наблюдается и соответствующее увеличение эквивалентной емкости С, что заставляет снижать R_Н. Избежать отмеченного недостатка удается в усилителе с распределенным усилением в соответствии с рисунком 4.7, использую­щем режим бегущей волны. В таком усилителе общая крутизна используемых транзисторов равна сумме крутизны отдельных транзисторов: S_Э = п·S_ПТ.

Емкости в цепях стоков С_С и затворов C_З образованы междуэлектродными и монтажными емкостями. Суммирования одноименных емкостей не происходит, что достигается включени­ем разделительных индуктивностей L_С и L_З. По сути, во входной и выходной цепях образуются две искусственные линии бегущей волны, что обеспечивается равенством волнового сопротивления входной линии r_З сопротивлению источника сигнала R_г, а волнового сопротивления выходной линии r_С сопротивлению нагрузки R_Н. Для того чтобы не было отражений от концов входной и выходной линий, их нагружают активными резисторами R_С = r_С, R_З = r_З.

Индуктивность звеньев линий L_С и L_З выбирают таким образом, чтобы скорость распространения сигнала в режиме бегущей волны по обеим линиям была одинаковой. Это обеспечивается при L_СC_С = L_ЗC_З. В этих условиях напряжение сигнала, распространяющегося по выходной линии вправо, суммируется с напряжениями сигнала, поступающего от следующих транзисто­ров, и на нагрузке R_Н в конце выходной линии создается усиленное напряжение сигнала:

где n – число транзисторов усилителя.

Из-за сложения токов сигнала отдельных транзисторов в нагрузке выделяется требуемая мощность усиливаемого сигнала. В рассмотренном усилителе отношение S_п.т/С и площадь усиления оказываются в n раз больше, чем каждого используемого в усилителе транзистора. Описанное техническое решение позволя­ет создавать импульсные усилители с рабочей полосой частот в сотни мегагерц.

Импульсные усилители с полосой пропускания от единиц до десятков МегаГерц в настоящее время изготавливаются в виде интегральных схем, выполненных по схемам усилителей постоян­ного тока с использованием СВЧ транзисторов, имеющих максимальные отношения крутизны S_п.т к междуэлектродным емкостям.

Ограничители амплитуды имульсов:

Рисунок 4.8 – Амплитудная характеристика ограничителя

Рисунок 4.9 – Двухсторонний диодный ограничитель

Амплитудным ограничителем называют устройство, напря­жение на выходе которого повторяет форму входного на­пряжения, если последнее не выходит за уровни ограниче­ния, и почти не изменяется, если входное напряжение пре­вышает эти уровни. Ограничитель можно представить в виде нелинейного четырехполюсника с амплитудной характеристи­кой в соответствии с рисунком 4.8 (для двустороннего ограни­чения).

Роль нелинейного элемента в ограничителях выполняют диодные и транзисторные ключи на дискретных или на интеграль­ных компонентах (при использовании транзисторных ключей наряду с ограничением можно получить и усиление сигналов). В простейшем случае ключ – это двухполюсник (например, ключ на диоде). В зависимости от способа включения ключа различают последовательную и параллельную схемы ограничителей. Последо­вательная схема работает в режиме ограничения, когда ключ разомкнут, а параллельная – когда ключ замкнут. Уровень и порог ограничения могут быть заданы с помощью дополнительных источников напряжения, включаемых в схему.

Ограничители используют: для формирования импульсов с постоянной амплитудой; выравнивания вершины импульсов, полу­чивших какие-либо искажения при передаче через цепи; получения напряжения, по форме близкого к прямоугольному, из синусоидального напряжения. Ограничители позволяют осуществлять выделение (селекцию) импульсов по амплитуде.

Различают ограничители по максимуму (ограничение сверху), у которых напряжение на выходе u_ВЫХ остается практически на постоянном уровне, когда входное напряжение u_ВХ превышает некоторое пороговое значение U_П1; ограничители по минимуму (ограничение снизу), у которых u_ВЫХ остается на постоянном уровне, когда u_ВХ принимает значение ниже порогового U_П2, и двухсторонние ограничители, у которых выходное напряжение остается на постоянном уровне, если u_ВХ выходит за пределы пороговых уровней U_П1 и U_П2:

В соответствии с рисунком 4.8 показано двухстороннее ограничение синусоидаль­ного напряжения. Здесь U_О1 и U_О2 – уровни ограничения сверху и снизу.

К основным параметрам ограничителя относятся коэффициен­ты передачи (отношение приращений выходного напряжения к входному) в области ограничения К_ОГР и в области пропускания К_ПР.

Основными требованиями к ограничителю являются: высокая стабильность положения точек излома его характеристики, высо­кая точность ограничения (т.е. высокое постоянство выходного напряжения в области ограничения), высокая линейность схемы в области пропускания (вне области ограничения).

В соответствии с рисунком 4.9 выполнена схема двустороннего диодного ограни­чителя (параллельного). Двусторонние диодные ограничители получают путем сочетания двух односторонних ограничителей (последовательных или параллельных).

Напряжения источников питания U_О1 и U_О2 задают уровни ограничения (рисунок 4.8), a R_О – резистор, определяющий четкость ограничения (без этого резистора в данном устройстве ограничения не будет, так как даже при открытом диоде все напряжение u_ВХ будет передаваться на выход).

Коэффициент передачи в режиме пропускания (при условии, что среднее значение обратного сопротивления диода R_ОБР удов­летворяет неравенству R_ОБР >> R_Н) рассчитывается по формуле К_пр = R_н/(R_н + R). В режиме ограничения (когда один из диодов открыт) значение сопротивления диода R_ПР обычно значительно меньше значения сопротивления резистора R_О (R_О выбирается из усло­вия: R_О >> R_ПР), поэтому коэффициент передачи К_ОГР = R_ПР/(R_ПР + R_О).

Если выполняется условие R_ПР U_О1 диод VD₂ закрыт, а диод VD₁ отк­рыт. Напряжение на выходе схемы (при выполнении условия R_ПР