Elektronika

Maturitní otázky

ŠIROKOPÁSMOVÉ VF ZESILOVAČE

27.širokopásmové vf zesilovače

Širokopásmové zesilovače jsou takové zesilovače, u nichž je šířka zesilovaného pásma kmitočtu podstatně širší  než u běžných zesilovačů nízkofrekvenčních nebo vysokofrekvenčních (tedy větší než 10 až 20 kHz). Např. u osciloskopů používáme běžně zesilovače s šířkou pásma 1 až 10 MHz, v televizní technice jsou běžné tzv. videozesilovače (obrazové zesilovače) s šířkou pásma 6 MHz.

Širokopásmové zesilovače rozdělujeme na dolnopropustné, u nichž je dolní mezní kmitočet řádu hertzů nebo nulový (zesilovač stejnosměrně vázaný), a na zesilovače pásmové, s vlastnostmi pásmové propusti.

                V následujícím výkladu se zaměříme dolnopropustné širokopásmové zesilovače (videozesilovače). Na takový zesilovač máme následující požadavky:

a)        Musí zesílit kmitočty v rozsahu 0 Hz až 6 MHz se stejným časovým zpožděním a s poklesem maximálně o 3 dB.

b)        Se stejným zesílením musí přenést ss složku

c)        Poměr signál:šum musí být alespoň 40 dB

Pro zapojení takového zesilovače se používá výhradně zapojení zesilovačů se společným emitorem ve třídě A, u kterých navíc zavádíme přídavné prvky pro rozšíření zesilovaného pásma kmitočtu.

Obr. 1. Zapojení širokopásmového zesilovače a jeho amplitudová charakteristika

Nejprve se budeme věnovat korekci zesílení na straně vysokých kmitočtů. Horní mezní kmitočet je omezen velikostí kapacity C_C, připojené paralelně k odporu R_C a na mezním kmitočtu tranzistoru f_T. Kmitočtová charakteristika bude mít na horním konci dva kmitočty zlomu f_1m a f_2m. V intervalu mezi těmito dvěma kmitočty má přenosová charakteristika spád 6 dB/okt, za druhým mezním kmitočtem má spád 12 dB/okt. Určitého zlepšení tohoto průběhu lze dosáhnout dvěma opatřeními a to zařazením kompenzační tlumivky L_c a emitorovým členem R_eC_e. Kompenzační tlumivka L_c snižuje vliv kapacity C_c a může prodloužit vodorovnou část charakteristiky a zvýšit mezní kmitočet f_1m o 40 až 60 %. Zvolíme-li totiž velikost indukčnosti

dosáhneme zvýšení kmitočtu f_1m o 60 %, ale fázová charakteristika již není zcela lineární, takže časové zpoždění různých kmitočtových složek signálu nebude shodné. Pro nejrovnoměrnější průběh časového zpoždění je výhodné volit kompromis

Takto dosáhneme zvýšení mezního kmitočtu f_1m o 40 %.

Podobným způsobem je možné využít emitorový člen R_eC_e. na nízkých kmitočtech působí odpor R_e zápornou proudovou vazbu a zmenšuje zesílení. Volbou vhodné velikosti kapacity C_e můžeme určit kmitočet

,

na kterém zpětná vazba přestává působit, takže zesílení roste s kmitočtem o 6 dB/okt až do kmitočtu

a tím kompenzuje úbytek zesílení v intervalu mezi f_1m a f_2m.

Věnujme se nyní korekci zesílení na straně nízkých kmitočtů. Na nízkých kmitočtech dochází k poklesu zesílení vlivem vazebního kondenzátoru a odporu R_e, který není pro nízké kmitočty zkratován.

Korekci můžeme provést prostým snížením hodnoty dolního mezního kmitočtu. Dolní mezní kmitočet představuje hranici mezi oblastí nízkých a středních kmitočtů a platí pro něj

kde

Dalším způsobem je použití členu R_kC_k.a tím zvýšení zesílení nízkých kmitočtů. Zesílení stupně SE je přímo úměrné velikosti R_C. Sériově s R_C zařadíme pomocný rezistor R_k blokovaný kondenzátorem C_k. Tento rezistor se uplatňuje pouze pro nízké kmitočty, protože pro vysoké kmitočty je kondenzátorem C_k zkratován. Optimální korekci dosáhneme pro C_v2=G.R_C.C_k, kde G je vstupní admitance následujícího stupně a C_v2 je vazební kapacita mezi stupni. R_k volíme co největší (s ohledem na napětí zdroje a požadované napětí kolektoru).

Kmitočtové pásmo můžeme rovněž téměř libovolně rozšířit zavedením záporné zpětné vazby.

                Řešením rovněž může být použití zesilovače se stejnosměrnou vazbou, tedy bez C_v.

 Horní mezní kmitočet zesilovače je omezen dvěma činiteli:

-          velikostí kapacity C_C, připojené paralelně k zatěžovacímu odporu R_C

-          mezním kmitočtem tranzistoru f_T.

Nepoužijeme-li korekční indukčnost L_C a je-li R_C « 1/h_22e, potom platí

       a   

Zesilovací stupeň má tedy dva horní mezní kmitočty. Frekvenční charakteristika je vodorovná až ke kmitočtu f_1m, odtud má spád 6 dB/okt až ke kmitočtu f_2m, a dále klesá se směrnicí 12 dB/okt. Zlepšení průběhu charakteristiky lze dosáhnout použitím kompenzační tlumivky L_C, která pro nižší kmitočty má malou impedanci a prakticky se neuplatňuje a pro vyšší kmitočty její impedance roste, tím roste i celkový zatěžovací odpor stupně a s ním i zesílení v oblasti vysokých kmitočtů. Pro volbu indukčnosti se doporučuje vztah , čímž se docílí zvýšení kmitočtu f_1m asi o 40% při ještě lineární fázové charakteristice. Někdy lze k této kompenzaci použít i RC člen v emitorovém obvodu. Vhodnou volbou kapacity C_e lze určit kmitočet , při kterém přestane působit záporná zpětná vazba, takže zesílení začne vzrůstat až do kmitočtu  a tím se kompenzuje pokles zesílení mezi kmitočty f_1m a f_2m.

 Při návrhu širokopásmových zesilovačů se musí volit tranzistory s co nejvyšším tranzitním kmitočtem f_T a s co nejmenšími vlastními kapacitami aby celková kapacita C_C byla co nejmenší. Tato kapacita je dána jednak výstupní kapacitou předchozího tranzistoru (C_cb + C_ce), rozptylovými kapacitami součástek a spojů a vstupní kapacitou následujícího stupně, která je dána . Je-li následující stupeň zapojen se společným emitorem, je A < 0 a C_vst je velká. Kdyby byl následující stupeň se společným kolektorem, je A > 0 a C_vst je mnohem menší.

 Dříve byl již uveden vztah pro napěťové zesílení , které je u širokopásmového zesilovače stejné, jako u nízkofrekvenčního

  , který platí pro R_z « 1/h_22e. Zdá se, že čím bude větší R_z, tím bude i větší A_u. Ovšem výše bylo ukázáno, že šířka pásma je nepřímo úměrná hodnotě R_z, takže součin

   je konstantní a závisí převážně na vlastnostech použitého tranzistoru.

 Dolní mezní kmitočet je omezen vazebními členy mezi stupni. Dolní mezní kmitočet je určen vztahem

  , kde C_v je vazební kapacita mezi stupni a R je paralelní kombinace výstupního odporu předchozího a vstupního odpru následujícího stupně. Pro zlepšení přenosu v oblasti nízkých kmitočtů můžeme použít kompenzační člen R_kC_k, pro který platí

  . Při středních a vyšších kmitočtech představuje kapacita C_k pro střídavé signály zkrat a zatěžovacím odporem tranzistoru je pouze odpor R_C. S klesající frekvencí ale roste reaktance kondenzátoru C_k a odpor R_k začne zvětšovat zátěžovací odpor tranzistoru až do kmitočtu f_1d=f_dR_c/R_k, je-li splněna podmínka, R_k « 1/h_22e. Tento způsob lze také požít v případě, že potřebujeme zmenšit vazební kapacity z důvodů dostupnosti kondenzátorů nebo rozptylových kapacit.