Ультразвуковые линии задержки

В основу ультразвуковых линий задержки (УЛЗ) положено преобразование электрического сигнала в акустический (ультразвуковой) с помощью пьезокерамического преобразователя 1, распространение его по звуководу 2 и обратное преобразование в электрический сигнал с помощью пьезокерамического преобразователя 3 (рис. 3.3). Главное преимущество УЛЗ перед другими линиями задержки – малая скорость акустического сигнала, составляющая, в зависимости от материала, из которого изготовлен звуковод, c_а = (2…4)10³ м/с, что примерно в 100 тыс. раз меньше скорости электромагнитных волн. Малая скорость акустических сигналов позволяет существенно сократить длину звуковода l по сравнению с коаксиальным кабелем.

Рис. 3.3

Казалось бы, УЛЗ благодаря малым габаритам должны полностью вытеснить другие виды ЛЗ. Однако они обладают рядом недостатков. Во-первых, при преобразовании на входе в звуковод и на выходе из него сигнал сильно ослабляется, поэтому перед «запуском» в УЛЗ его приходится усиливать. Но самый главный недостаток заключается в сильной зависимости затухания акустического сигнала от частоты (k_зат ~ f^1,5). Поэтому при прохождении по УЛЗ широкополосных сигналов (в частности, коротких импульсов) возникают искажения их спектров, а значит и формы. Например, прямоугольные импульсы сглаживаются и приобретают колоколообразный вид (сглаживание объясняется ослаблением высокочастотных гармоник в спектре задерживаемых импульсов).

УСИЛИТЕЛИ НА ТРАНЗИСТОРАХ

Рассмотрим три основные схемы включения транзисторов. При этом ограничимся рассмотрением схем включения биполярных транзисторов: схемы включения полевых (канальных) транзисторов аналогичны схемам включения биполярных транзисторов и, если не учитывать некоторые нюансы, могут быть получены из последних «заменой электродов», т. е. исток должен быть включен вместо эмиттера, затвор – вместо базы, сток – вместо коллектора. В качестве транзисторов выберем приборы n–p–n-типа: в этом случае как на коллектор, так и на базу следует подавать питающее напряжение положительной полярности и объяснение принципа действия схем становится проще. При этом включения транзисторов p–n–p-типа ничем, кроме полярности питающих напряжений, не отличаются от включений n–р–n-транзисторов.

Схема с общим эмиттером

Рис. 4.1

Схема включения транзистора с общим эмиттером (ОЭ) изображена на рис. 4.1. Входным электродом является база (точнее, входной сигнал U_вx приложен к переходу эмиттер – база, т. е. U_вx = U_БЭ = f_Б – f_Э, где f_Б и f_Э – соответственно, потенциалы базы и эмиттера). Выходным электродом является коллектор, т. е. выходное напряжение U_выx равно падению напряжения между коллектором и эмиттером U_KЭ: U_выx = U_КЭ = f_K – f_Э, где f_K – потенциал коллектора.

Таким образом, эмиттер является «общим электродом» и для U_вx, и для U_выx, чем и объясняется название схемы. Допустим, что эмиттер заземлен и f_Э = 0. В большинстве случаев непосредственное соединение эмиттера с землей применяют редко, но здесь рассматривается именно схема с заземленным эмиттером, так как наличие дополнительных элементов R_Э и C_Э не изменяет основной принцип работы схемы с ОЭ, но сильно усложняет объяснение.

Емкости C_p1 и С_p2 будем считать в диапазоне частот сигнала короткими замыканиями, а для постоянных питающих напряжений они, естественно, представляют собой разрывы. Впоследствии вклад С_p1 и С_p2 в характеристики схемы и их назначение будут оговорены.

Для объяснения работы схемы используем известное из физики полупроводников явление: p–n-переход при подаче на р-полупроводник положи-

тельного потенциала (относительно потенциала n-полупроводника) открывается и через переход течет ток; причем в определенных пределах ток прямо пропорционален разности потенциалов на переходе. К базе транзистора приложено постоянное положительное напряжение, определяемое значением напряжения источника питания Е и соотношением сопротивлений R_Б1 и R_Б2 (R_Б1 и R_Б2 называют базовым делителем), поэтому f_Б всегда превышает f_Э и переход эмиттер – база открыт.

Если теперь учесть, что на базу транзистора кроме постоянного положительного напряжения U_вx= = E(R_Б2/(R_Б1 + R_Б2)) поступает также переменный сигнал U_вx≈ (для простоты примем, что U_вx≈ – гармонический сигнал), то в моменты, когда U_вx≈ имеет положительную полярность, p–n-переход открывается еще больше и ток через него возрастает, а в моменты, когда U_вx≈ имеет отрицательную полярность (но сохраняется U_вx= + U_вx≈ >0), переход частично закрывается и ток уменьшается. Ток через p–n-переход эмиттер – база называют током эмиттера I_Э. Внутри транзистора он разделяется на небольшой ток базы I_Б << I_Эи ток коллектора I_К ≈ I_Э. В свою очередь, ток коллектора I_К течет через сопротивление R_K и создает на нем напряжение DU_R = I_KR_K. Отсюда очевидно, что потенциал коллектора f_K = Е – DU_R = Е – I_KR_K зависит от того, насколько открыт переход эмиттер – база, т. е. от U_вx.

Для аналитического описания зависимости I_К от U_БЭчасто используют параметр S = DI_K/DU_БЭ, который называется крутизной. Единицей измерения крутизны является ампер на вольт [А/В], ее название связано с очень редко встречающимися в справочниках «сквозными» вольт-амперными характеристиками транзисторов. Итак,

U_выx = f_K – f_Э = Е – I_KR_K = Е – S U_БЭ R_K = Е – S R_K(U_вx= + U_вx≈) =

= Е – S R_KU_вx= – S R_KU_вx≈.

Два первых слагаемых представляют собой постоянное напряжение U_вых=, а переменный выходной сигнал равен U_выx≈ = – S R_KU_вx≈.

Таким образом, в схеме с общим эмиттером при подаче переменного сигнала на базу транзистора обеспечивается формирование на коллекторе такого же переменного сигнала, отличающегося от входного амплитудой и знаком. При прохождении сигнала через схему имеет место сдвиг фазы, равный 180°). Коэффициент передачи схемы по напряжению

K_U = | U_выx≈/U_вx≈| = S R_K.

Отметим, что использование такого параметра, как крутизна, удобно лишь для объяснения процессов в схеме. В справочниках величина S не приводится, зато обычно имеются входные и выходные вольт-амперные характеристики (зависимости I_Б от U_БЭи I_К от U_КЭ соответственно).

Остановимся еще на некоторых моментах.

Во-первых, следует обсудить функциональное назначение емкостей C_p1 и С_p2. Эти емкости представляют собой элементарные фильтры высоких частот, обеспечивающие развязку последовательно соединенных схем по постоянному сигналу. Допустим, что усилитель построен по двухкаскадной схеме, т. е. состоит из двух схем с общим эмиттером (выход первой схемы соединен со входом второй). В этом случае, очевидно, надо без потерь передать переменный сигнал с коллектора транзистора первой схемы на базу транзистора второй схемы. Проще всего это можно было бы сделать, соединив электроды двух транзисторов накоротко. Но ведь как напряжение на базе, так и напряжение на коллекторе содержат не только переменные, но и постоянные составляющие, причем разные:

f_Б= = U_вx= = E(R_Б2/(R_Б1 + R_Б2));

f_K= = U_выx= = Е – S R_KU_вx=.

Элементом, который пропускает переменный ток, но не пропускает постоянный, является емкость. Именно «разделительная» емкость С_p, установленная между двумя каскадами, обеспечивает прохождение переменного сигнала и «развязку» каскадов по постоянному току.

В схеме рис. 4.1 эмиттер заземлен. Обычно это не так: схема с общим эмиттером содержит в цепи эмиттера сопротивление R_Э и блокировочный конденсатор С_Э. Назначение резистора – обеспечивать термостабилизацию параметров схемы. Дело в том, что при повышении температуры в полупроводниках возрастает подвижность носителей зарядов и их концентрация, в результате чего возрастает ток эмиттера, а значит и ток коллектора. Чтобы вернуть токи в исходное (до нагрева) состояние, надо частично закрыть переход эмиттер-база, а для этого увеличить f_Э при неизменном f_Б. Если эмиттер заземлен, то изменить f_Э невозможно, а если имеется сопротивление R_Э – задача решается очень легко: f_Э = I_Э R_Э, поэтому с ростом I_Э обеспечивается нужный эффект увеличения потенциала эмиттера. К сожалению, наличие R_Э вызовет минимизацию изменений тока I_Э не только на инфранизких частотах температурного дрейфа, но и на частотах сигнала, усиление схемы резко снизится. Поэтому необходимо зашунтировать R_Э на частотах сигнала, применив для этой цели блокировочный конденсатор. На частотах температурного дрейфа С_Э представляет собой большое сопротивление и не влияет на механизм термостабилизации; с возрастанием f превращается в короткое замыкание.

Теперь оговорим, какими параметрами обладает схема с ОЭ.

1. Коэффициент передачи (усиления) по напряжению K_U = SR_K обычно достигает единиц-десятков раз.

Рис. 4.2

2. Амплитудная характеристика (АХ) – зависимость U_выx≈ от U_вx≈ (рис. 4.2). Линейный участок АХ имеет наклон α, связанный с коэффициентом передачи соотношением K_U = tg α. При малых уровнях входного сигнала U_выx≈ определяется уровнем шума U_ш, при очень больших (U_вx > > U_{лин max}) – примерно равен уровню коллекторного питания.

3. Коэффициент передачи по току K_I равен отношению выходного тока ко входному. Выходным электродом является коллектор, входным – база, поэтому К_I = I_K/I_Б. Но I_Б << I_Э, а I_К = I_Э, отсюда K_I >> 1.

4. Коэффициент передачи по мощности K_P = K_UK_I, как следствие, весьма значителен.

5. Сдвиг фаз в схеме равен 180°.

6. Входное сопротивление R_вx схемы определяется параллельным соединением сопротивлений R_Б1, R_Б2 и эквивалентного сопротивления р–n-перехода эмиттер – база: r_БЭ = I_Б/U_БЭ.Обычно значения R_Б1 и R_Б2, необходимые для работы схемы, а также r_БЭ составляют килоомы – десятки килоом, поэтому и входное сопротивление равно килоомам.

7. Выходное сопротивление ненагруженной схемы R_выx определяется в первую очередь значением сопротивления R_K (сотни ом – единицы килоом), а также эквивалентным сопротивлением транзистора r_КЭ = I_К/U_КЭ (обычно порядок r_КЭ – килоомы).

Рис. 4.3

8. Амплитудно-частотная характеристика K_U = K_U(f), где f – частота (рис. 4.3). АЧХ имеет на средних частотах равномерный участок, параллельный оси частот. На низких частотах, где емкости C_p1 и С_p2 еще не являются короткими замыканиями и часть сигнала падает на них, АЧХ имеет спад. Дополнительной причиной спада АЧХ на низких частотах является наличие R_Э, еще не зашунтированного в полной мере блокировочным конденсатором. Спад АЧХ имеет место и на высоких частотах, но там он вызван шунтирующим действием паразитных емкостей С_пар (С_пар, в частности, «включены» параллельно R_K), а также снижением усилительных свойств транзистора с частотой (снижением S).

9. Фазочастотная характеристика Df = Df(f). Сдвиг фаз Df = 180° обеспечивается только на средних частотах. На низких частотах из-за вклада C_p1 и С_p2 он больше, на высоких частотах из-за наличия С_пар – меньше.

АЧХ и ФЧХ схемы не всегда удовлетворяют потребителя, и часто осуществляется их коррекция (исправление) с помощью внесения дополнительных элементов.

Низкочастотная коррекция (НЧК) осуществляется разделением коллекторного сопротивления (рис. 4.4) на два: R_K1 и R_K2. Средняя точка делителя через емкость C_ф соединяется с землей. На низких частотах C_ф представляет собой большое сопротивление, и ее можно не учитывать при определении коэффициента усиления схемы, который определяется как K_U = S(R_K1 + R_K2). На средних и высоких частотах C_ф превращается в короткое замыкание и шунтирует R_K2, поэтому коэффициент усиления снижается и равен K_U = SR_K1.

Рис. 4.4

C_ф выполняет также функцию фильтра, не допускающего переменный сигнал в источник питания (именно поэтому он помечен индексом «ф»).

Высокочастотная коррекция осуществляется двумя различными способами. Во-первых, последовательно с R_K ставят индуктивность L (рис. 4.5) – такой способ называется индуктивной высокочастотной коррекцией (ИВЧК). В этом случае при любом значении индуктивности коэффициент усиления схемы возрастает с ростом частоты, так как

Рис. 4.5

K_U = S =

= S .

При более тонком подборе значения L можно «организовать» резонанс между индуктивностью и паразитной емкостью на частоте, при которой начинается спад АЧХ. Резонансный контур должен быть параллельным, что в действительности имеет место и может быть объяснено с помощью эквивалентной схемы каскада по переменному току (рис. 4.6). Недостатком ИВЧК является наличие в схеме низкотехнологичного элемента – катушки индуктивности.

Второй способ высокочастотной коррекции – эмиттерная (ЭВЧК) не предусматривает введение в схему дополнительных элементов, а лишь существенное уменьшение значения емкости C_Э. Независимо от своего значения эта емкость не шунтирует R_Э на инфранизких частотах температурного дрейфа, поэтому механизм термостабилизации не нарушается. Но маленькая C_Э (при малых значениях ее уже не принято называть блокировочной) не шунтирует R_Э и на низких и средних частотах сигнала, при этом K_U снижается.

Только на высоких частотах C_Э закорачивает эмиттерное сопротивление и коэффициент усиления начинает возрастать – как раз тогда, когда в силу других причин он снижается. ЭВЧК из-за отсутствия индуктивности находит все более широкое применение, хотя обладает существенным недостатком – уменьшением K_U усилителя на низких и средних частотах.

Рис. 4.6

Схема с общим коллектором

Схема включения транзистора с общим коллектором (ОК) изображена на рис. 4.7. Входным электродом является база транзистора, а выходным –эмиттер. Коллектор накоротко соединен с источником питания, f_К = Е = соnst. Так как коллекторный вывод не используется для выделения переменного сигнала, то коллектор считают «общим электродом» для входного и выходного сигналов, откуда и происходит название схемы.

Сопротивления R_Б1 и R_Б2используются в схеме с ОК для подачи на базу постоянного напряжения U_вx = E(R_Б2/(R_Б1 + R_Б2)).

Сопротивление R_Э обеспечивает получение переменного выходного сигнала: оно обычно невелико. Когда известно сопротивление нагрузки (например, это кабель с эквивалентным сопротивлением 50 или 75 Ом), то R_Э выбирают из соотношения R_Э = R_н (условие передачи максимальной мощности в нагрузку). Если нагрузка неизвестна, но не исключено, что R_н может быть малым, выбирают R_Э порядка единиц-десятков ом.

Рис. 4.7

Схема с общим коллектором работает следующим образом. Входной сигнал приложен к базе, причем f_Б = U_БЭ + f_Э, а выходной сигнал равен f_Э = = I_ЭR_Э. Таким образом, U_вx = U_БЭ + U_вых. Увеличение U_вx приводит к тому, что p–n-переход эмиттер – база транзистора становится более открытым, I_Э растет и увеличивается U_выx = I_ЭR_Э. Вместе с тем, рост I_Э вызывает возрастание f_Э, транзистор частично закрывается. Изменение потенциалов базы и эмиттера транзистора, таким образом, происходит синхронно, но f_Э меняется несколько меньше, чем f_Б.

Рассмотрим параметры и характеристики схемы с общим коллектором.

1. Коэффициент передачи по напряжению К_U у схемы с общим коллектором, как это видно из объяснения ее работы, меньше 1. Получим его значение аналитически:

U_вx = U_БЭ + U_выx = U_БЭ + I_ЭR_Э ≈ U_БЭ + I_КR_Э = U_БЭ + S U_БЭ R_Э,

U_выx = I_ЭR_Э ≈ S U_БЭ R_Э.

Тогда K_U = U_выx/U_вx = SR_Э/(1 + SR_Э) < 1.

2. Коэффициент передачи по току

К_I = I_вых/I_вх = I_Э/I_Б >> 1.

3. Коэффициент усиления по мощности К_P определяется значением K_I. Таким образом, поскольку К_P > 1, то схема с OK все-таки является усилителем, хотя главный параметр, интересующий потребителя – К_U никак не располагает к подобной классификации.

4. Сдвиг фаз в схеме Dj = 0 (так как f_Б и f_Э меняются синхронно).

5. Входное сопротивление у схемы очень большое. R_вx определяется, как в схеме с ОЭ, параллельным соединением R_Б1, R_Б2 и эквивалентного сопротивления транзистора r_БЭ = I_Б/U_БЭ. В схеме с ОК такой же, как и в схеме с ОЭ, порядок величин I_Б, но к тому же мало меняется U_БЭ (так как при подаче входного переменного сигнала f_Б и f_Э изменяются синхронно). Обычно R_вx схемы с общим коллектором составляет килоомы-десятки килоом.

6. Выходное сопротивление R_BЫХ = R_Э и составляет десятки ом.

7. Амплитудная характеристика U_выx = F(U_вx) является линейной и имеет угол наклона a < 45° (a = 45°при K_U = 1). Уровень U_выx = E принципиально недостижим, так как даже при полностью открытом транзисторе на нем остается некоторое падение напряжения DU_{КЭ min} и f_{Э max} = E – U_{KЭ min} < E.

8. Амплитудно-частотная характеристика K_U = K_U(f) схемы с ОК имеет вид, аналогичный АЧХ схемы с ОЭ. В области средних частот имеется горизонтальный участок с ординатой, меньшей единицы. Спад из-за наличия разделительных емкостей наблюдается при очень малых частотах, так как R_вx имеет большое значение. Спад из-за наличия С_пар наблюдается при относительно больших частотах, так как R_выx – низкоомное. Таким образом, схема с ОК – самая широкополосная из основных трех схем включения транзисторов.

9. Фазочастотная характеристика Dj = Dj(f) отлична от нуля на низких (Dj > 0) и на высоких частотах (Dj < 0).

Схема с общей базой

Схема включения транзистора с общей базой (ОБ) изображена на рис. 4.8. Входным электродом является эмиттер (входной сигнал U_вx приложен к переходу эмиттер – база, база по переменному сигналу заземлена). Выходным электродом является коллектор; с учетом того, что база по переменному сигналу заземлена, можно считать, что U_выx = f_K, т. е. U_выx≈ равно переменному напряжению между коллектором и базой. База является, таким образом, «общим электродом» для входного и выходного сигналов, откуда и происходит название схемы.

Назначение элементов R_Б1, R_Б2, С_P1, С_P2 и R_K в схеме с ОБ такое же, как и в схеме с ОЭ. Дополнительными, в сравнении со схемой с ОЭ, элементами являются C_Би R_Э. Базовая емкость C_Б обеспечивает заземление базы по переменному сигналу. Непосредственное соединение базы с землей возможно только при наличии двух разнополярных источников питания: в самом деле, если f_Б = 0 не только по переменному сигналу, а и по постоянному смещению, то для того чтобы р–n-переход эмиттер – база был открыт (f_Б > f_Э), на эмиттер надо подавать постоянное отрицательное напряжение (на коллектор подается положительное напряжение). Чтобы избежать двухполярного питания, эмиттер заземляют, а на базу с помощью базового делителя подают положительное смещение f_{Б =} = E(R_Б2/(R_Б1 + R_Б2)).

Рис. 4.8

Сопротивление R_Э служит для того, чтобы на эмиттер можно было подавать переменный входной сигнал. Схема работает следующим образом. Когда U_вx≈ имеет положительную полярность, f_Э возрастает, в результате чего U_БЭ = f_Б – f_Э = f_Б= – f_Э снижается и p–n-переход эмиттер-база частично закрывается. Ток I_Э уменьшается, в результате уменьшается и ток I_K ≈ I_Э, снижается падение напряжения на сопротивлении R_K, а потенциал f_K = Е – I_KR_K возрастет. Так как f_K≈ ≈ U_выx≈, то при увеличении мгновенного значения U_вx≈ увеличивается и мгновенное значение U_выx≈. При отрицательной полярности U_вx≈ происходят аналогичные процессы. Коэффициент усиления по напряжению K_U = U_выx≈/U_вx≈ = (I_KR_K)/(I_Э R_Э) ≈≈ R_K/ R_Э.

Коэффициент передачи по току К_I = I_вых/I_вх = I_К/I_Э ≈ 1.

Таким образом, видно, что схема с общей базой не меняет фазу сигнала. Входное сопротивление R_вх = R_Э. При этом возникает следующая дилемма: с одной стороны, исходя из требования R_K > R_Э (чтобы K_U превосходил единицу), эмиттерное сопротивление следует выбирать малым; с другой стороны, каскад с низкоомным R_вx будет шунтировать выход предыдущей схемы, поэтому R_Э надо выбирать побольше. Реально значение R_Э составляют десятки ом, и схема с ОБ имеет малое входное сопротивление.

Выходное сопротивление ненагруженной схемы R_вых определяется параллельным соединением R_K и (r_KЭ + R_Э) и составляет обычно сотни ом – единицы килоом.

Амплитудная характеристика схемы с ОБ аналогична амплитудной характеристике схемы с общим эмиттером. Но реально К_U в схеме с ОБ ниже, чем К_U в схеме с ОЭ, поэтому предельная амплитуда входного сигнала, который можно усилить без нелинейных искажений, у схемы с ОБ больше, чем у схемы с ОЭ.

Амплитудно-частотная характеристика К_U = К_U(f) у схемы с ОБ аналогична АЧХ схемы с ОЭ, но в области средних частот идет ниже последней (так как К_{U ОБ} < К_{U OЭ}). На низких частотах разделительные емкости сильнее, чем в схеме с ОЭ, сказываются на работе схемы с ОБ, так как у схемы с ОБ малое R_вx, и эквивалентное сопротивление С_р становится малым в сравнении с R_вx при больших частотах, нежели в схеме с ОЭ. На высоких частотах спад АЧХ схемы с ОБ происходит также немного раньше, чем у схемы с ОЭ, так как R _{выx ОБ} немного больше, чем R_{выx ОЭ}.

Фазочастотная характеристика Dj = Dj(f) отлична от нуля на низких (Dj > 0) и на высоких частотах (Dj < 0).