Искажение прямоугольного импульса усилителем

Искажения формы прямоугольного импульса усилителем и его амплитудно-частотная характеристика тесно связаны друг c другом. В лабораторной работе изучается усилительный каскад, верхняя и нижняя граничные частоты которого существенно различаются. В этом случае для оценки искажения импульсного сигнала каскад с определенной степенью точности можно представить схемой замещения (рис. 2.2, а). Здесь усилитель представлен частотно-независимым звеном с коэффициентом передачи по напряжению K_U⁰, соответствующим усилению на средних

Рис.2.2. Упрощенная эквивалентная схема усилителя в области нижних частот, и связанные с этим искажения вершины прямоугольного импульса (а); упрощенная эквивалентная схема усилителя в области верхних частот, и связанные с этим искажения переднего и заднего фронтов импульса (б); полное искажение импульса (г) при действии обеих причин (в)

частотах. Уменьшение коэффициента передачи в области нижних частот, описываемое звеном C₀₁R₀₁ = t_Н = 1 / w_Н всего усилительного каскада, и спад вершины усиливаемого импульса имеют одну и ту же причину. Аналогично, уменьшение коэффициента усиления в области верхних частот описываемое звеном t_В = C₀₂R₀₂ = 1/w_В всего усилителя, и завал фронта усиливаемого импульса имеют одну и ту же причину.

Значительное отличие верхней граничной частоты от нижней приводит к тому, что переходной процесс при формировании фронта импульса практически не влияет на процесс формирования его вершины, и эти процессы можно рассматривать независимо.

Формирование фронта импульса определяется зарядкой емкости C₀₂ через резистор R₀₂ в интегрирующем звене рис. 2.2, а, т.е. связано с существованием верхней граничной частоты усилителя. Процесс описывается уравнением

(E_Г – U_ВЫХ) / R₀₂ = C₀₂ dU_ВЫХ /d t.

Его решение: – U_ВЫХ(t)/E_Г = 1 – exp(– t /t_В)

позволяет определить времена нарастания (t^0-1) и спада (t^1-0) импульса (рис. 2.2, б) на уровне 0.1 – 0.9 от установившегося значения:

t^0-1 = t^1-0 = 2.2t_В = 2.2 / w_В = 0.35 / f_В.

Формирование вершины импульса определяется перезарядкой емкости C₀₁ через резистор R₀₁ в дифференцирующем звене и связано с наличием нижней граничной частоты усилителя. Процесс описывается уравнением

C₀₁ d(E_Г – U_ВЫХ) / d t = U_ВЫХ /R₀₁.

Его решение

DU_ВЫХ(T_И)/ E_Г = 1 – exp(–T_И /t_Н )

позволяет определить временя T_И, за которое произойдет спад вершины импульса DU_ВЫХ (рис. 2.2, в). Если DU_ВЫХ / E_Г < 0.2, то

DU_ВЫХ / E_Г @ T_И /t_Н .

Полная осциллограмма искаженного импульса представлена на рис. 2.2, г.

Необходимо подчеркнуть, что рассмотренные соотношения справедливы для одиночных RC–цепей. В реальных усилителях таких цепей несколько, и поэтому в этом случае эти соотношения являются оценочными.