Тема: Избирательные усилители

Фазоинверсный усилитель. В некоторых радиоэлектронных устройствах, например для двухтактного каскада усилителя мощности, требуется иметь два сигнала (напряжения), равные по величине относительно общего провода, но противоположные по фазе. Использование для этой цели электромагнитного трансформатора (со средней точкой во вторичной обмотке) не всегда возможно из-за вносимых им искажений. Кроме того, в интегральной микросхеме изготовить трансформатор чрезвычайно сложно.

Поэтому на практике для получения двух противоположных по фазе и одинаковых по амплитуде сигналов часто используют фазоинверсный (парафазный) усилитель, принципиальная схема которого приведена на рис. 8.

Рис.8 Рис.9

Основой рассматриваемого фазоинверсного усилителя являются три элемента: n-р-n транзистор и два резистора R_K и R_Э. По сути своей фазоинверсный усилитель является однокаскадным усилителем, который вобрал в себя функции двух каскадов: схему с ОЭ и схему с ОК. Резистор R_K и n-р-n транзистор образуют каскад с ОЭ, а резистор R_Э с тем же транзистором – каскад с ОК.

Выходной сигнал U_ВЫХ1, снимаемый с коллектора транзистора, имеет про­тивоположную полярность относительно входного сигнала U_BX, а выходной сигнал U_ВЫХ2, снимаемый с эмиттера транзистора, совпадает по фазе с U_BX.

Поскольку для сигнала, снимаемого с эмиттера, коэффициент усиления по напряжению К_U2 < 1 (каскад с ОК, т.е. эмиттерный повторитель напряжение не усиливает) и по условию работы фазоинверсного усилителя К_U1 = К_U2, то в усилителе отсутствует усиление по напряжению.

Для выполнения равенства К_U1 = К_U2 необходимо, чтобы βR_K = (β+1) R_Э, где β – коэффициент передачи тока базы в схеме ОЭ. При больших значениях β достаточно, чтобы R_K = R_Э.

Выходные сопротивления в фазоинверсном каскаде различны: для эмиттерного выхода R_ВЫХ значительно меньше, чем для коллекторного. Однако основным недостатком рассмотренного фазоинверсного усилителя следует считать отсутствие в нем усиления по напряжению.

Получить К_U1 = К_U2 >1 можно в эмиттерно-связанном фазоинверсном усилителе, принципиальная схема которого приведена на рис.9. Этот вариант фазоинверсного усилителя содержит два каскада: первый фазоинверсный каскад с К_U1 ≫ К_U2 и второй каскад с ОБ.

Каскад ОБ не инвертирует фазу сигнала, но усиливает напряжение. Усиление каскада ОБ подбирают таким образом, чтобы получить равные по амплитуде выходные сигналы: U_ВЫХ1 = U_ВЫХ2. Выходные сопротивления для эмиттерно-связанного усилителя значительно меньше отличаются друг от друга, чем в усилителе на рис.8.

Реализовать фазоинверсный усилитель с К_U1 = К_U2 >1 можно и на одном транзисторе. На рис.10 приведена принципиальная схема оптоэлектронного фазоинверсного усилителя. Здесь использованы МДП-транзистор со встроенным n-каналом и оптрон «светодиод - фотодиод».

Рис.10 Рис.11

Фотодиод работает в вентильном режиме: при изменении сигнала на входе оптрона (на светодиоде) будет меняться напряжение на фотодиоде, т.е. напряжение, приложенное непосредственно между затвором и истоком МДП-транзистора.

Таким образом, резистор R_И не образует ООС в рассматриваемом усилителе, за счет чего удается значительно повысить усиление по напряжению. Для получения U_ВЫХ1 = U_ВЫХ2 необходимо, чтобы R_C = R_И. Особо следует подчеркнуть, что фазоинверсный усилитель на рис.10 за счет применения оптрона обеспечен гальванической развязкой во входной цепи.

Каскодный усилитель. Каскодным усилителем принято называть такое устройство, в котором используются два транзистора, включенные последовательно по постоянному и переменному току.

Транзисторы в каскодных усилителях могут быть включены различными способами. На рис.11 приведена принципиальная схема каскодного усилителя на биполярных транзисторах. Здесь транзистор VТ1 включен по схеме c ОЭ, а транзистор VТ2 – по схеме c ОБ. Такой усилитель называется каскодом ОЭ - ОБ.

Каскад ОЭ - ОБ позволяет получить большое усиление по напряжению, его К_i определяется усилением каскада ОЭ, R_BX – входным сопротивлением каскада ОЭ, а R_BЫX – выходным сопротивлением каскада ОБ.

Каскодный усилитель находит широкое применение в резонансных усилителях, где R_K заменяется LC-контуром. Большое выходное сопротивление транзистора, включенного по схеме ОБ, дает возможность реализовать высокую добротность. Кроме того, рассматриваемый каскод имеет резко ослабленную внутреннюю обратную связь, что повышает устойчивость усилителя.

[1] Свое название видеоимпульсы получили из телевидения, где они широко используются.

[2] Такую форму прямоугольных видеоимпульсов называют меандр.Меандр – это бесконечный, периодический сигнал прямоугольной формы. Меандр может быть двухполярным или однополярным. Сигнал такого вида создаётся различными генераторами прямоугольных импульсов, например, мультивибраторами.

[3] Указанная последовательность прямоугольных импульсов симметрична относительно оси ординат, поэтому в состав её ряда Фурье синусоидальные составляющие не входят.

[4] В некоторой литературе неравномерность вершины импульса называют сколом вершины.

[5] Коррекция (лат. correctio) – исправление, выправление изменения величины.

Тема: Избирательные усилители

1. Общие сведения

Основные понятия. Избирательными (селективными) называются усилители переменного тока, усиливающие сигналы в узкой полосе частот. Например, в апериодических усилителях с резистивной нагрузкой, обладающих широкой полосой пропускания, соотношение частот достигает значений – f_В / f_Н = 10⁶... 10⁷, а в избирательных усилителях – f_В / f_Н = 1,001 ...1,1 (см.рис.1).

К

К₀

К₀ / = 0,707К₀

f (или ω = 2πf )

f_Н f_СР (f₀) f_В

Рис.1. Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) избирательного усилителя

На рис.1 изображена амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) избирательного усилителя, где К₀ – коэффициент усиления на средней частоте f_СР, называемой в этих усилителях резонансной частотой f₀ ; f_Н и f_В – соответственно нижняя и верхняя частоты полосы пропускания избирательного усилителя П = f_В – f_Н на уровне 0,707К₀.

Избирательные усилители применяются тогда, когда необходимо из поступающего широкого диапазона частот входных сигналов выделить (избрать, селектировать) сигналы близких частот, несущих полезную информацию. Поэтому за пределами полосы пропускания усиление очень ослаблено или вообще отсутствует.

Частотная зависимость коэффициента усиления избирательного усилителя достигается включением частотно-зависимых элементов в выходную цепь усилителя или в цепь обратной связи.

Различают избирательные усилители двух видов – усилители с частотно-зависимой обратной связью и резонансные усилители.

В первом виде избирательных усилителей, работающих на низких частотах, используются усилители с обратной связью частотно-зависимой, выделяющие или подавляющие сигналы в узком диапазоне частот от единиц килогерц и ниже. На этих низких частотах применение избирательных усилителей с колебательными LC - контурами неразумно, т.к. габариты, вес и стоимость контурной катушки индуктивности очень увеличиваются.

Поэтому цепи обратной связи с частотной зависимостью создаются при помощи различных схем RС-фильтров – моста Вина (рис.2,а), двойного Т-образного моста (рис.2, б), двойного Г-образного фильтра (рис.2,в) или других типов RС-фильтров, устанавливаемых в цепь отрицательной обратной связи.

а) б) в)

Рис.2. Схемы RС-цепей для частотно-зависимой обратной связи: а – мост Вина,

б – двойной Т-образный мост, в – двойной Г-образный фильтр

Во втором виде избирательных усилителей – резонансном усилителе, работающем на высокой частоте[1] (ВЧ) или сверхвысокой частоте (СВЧ), нагрузкой является какая-либо резонансная система.

Резонансные системы придают усилителю избирательные (селективные) свойства, т.е. позволяют сравнительно равномерно усиливать электрические колебания частот, лежащих в рабочем диапазоне усилителя, при сильном ослаблении всех других частот.

В зависимости от используемого диапазона частот (ВЧ или СВЧ) резонансные системы создают на основе обычных колебательных контуров, либо на элементах с полураспределенными параметрами[2] (роль индуктивности при этом выполняет отрезок коаксиального кабеля или полосковой линии передачи), либо на элементах с распределенными параметрами (роль колебательного контура выполняют объемный резонатор[3] или частотный фильтр на СВЧ элементах).

В простейшем случае на высокой частоте (ВЧ) резонансной нагрузкой служит чаще всего одиночный параллельный или реже последовательный колебательный контур. Он состоит из катушки L_К, конденсатора C_К и настроен на частоту усиливаемого сигнала. Колебательный контур соединяется с усилительным элементом и нагрузкой различными способами.

а) б) в) г) д)

Рис.3. Варианты включения LC-контура в цепь коллектора и способы его соединения с нагрузкой R_H

На рис.3 показаны некоторые варианты включения параллельного контура в цепь коллектора и его соединения с нагрузкой R_Н. Включение контура в цепь нагрузки бывает через разделительный конденсатор, трансформаторным, автотрансформаторным и емкостным (рис.3,а-д).

Включение контура в выходную цепь усилительного элемента может быть последовательным или параллельным (рис.4,а,б).

а) б)

Рис.4. Варианты включения контура в выходную цепь усилительного элемента:

а – последовательное, б – параллельное.

При всех вариантах включения контура в цепь нагрузки или в выходную цепь усилительного элемента, электрические показатели каскада могут быть сделаны одинаковыми, а выбор той или иной схемы определяется в основном конструктивно-технологическими параметрами.

Колебательный контур и его основные параметры.

Колебательный контур в резонансном усилителе выполняет две функции: согласует входное и выходное сопротивления и обеспечивает избирательность.

Основными параметрами колебательного контура являются:

а) резонансная частота f₀ = 1/ 2π , где L_К – индуктивность катушки контура, С_К – емкость конденсатора контура. В практических расчетах удобно пользоваться формулой f₀ = 160/ , в которой L_К выражается в микрогенри, С_К – в пикофарадах, а f₀ – в мегагерцах. Для расчета f₀ в килогерцах можно использовать формулу f₀ = 5033/ , в которой L_К выражается в миллигенри, а С_К – в пикофарадах, ;

б) полоса пропускания П = f_В – f_Н, где f_В и f_Н – соответственно верхняя и нижняя частоты полосы пропускания контура, на которых значение тока (напряжения) уменьшается в = 1,41 раза по сравнению со значением на резонансной частоте f₀;

в) волновое (характеристическое) сопротивление контура ρ = , Ом;

г) затухание контура d = r / ρ = П / f₀, где r – активное сопротивление контура[4]или сопротивление потерь, а ρ – волновое сопротивление контура. Математический анализ показывает, что при r < 2ρ свободные колебания в контуре не возникают;

д) добротность контура Q = 1/ d = ρ / r = х_L / r = 2πf₀L_К / r = х_C / r = 1 / 2πf₀С_Кr. Доказано, что при Q < 2 колебательный процесс в контуре не возникает. Добротность может быть определена по другой формуле Q = f₀ / П и соответственно полоса пропускания через добротность П = f₀ / Q = f₀d . Добротность характеризует остроту резонансной кривой контура – чем больше Q, тем острее резонансная кривая. Анализ формул П и Q показывает, что при подключении к контуру дополнительного резистора, активное сопротивление контура r возрастает, добротность Q уменьшается, а полоса П увеличивается. Таким образом, можно расширять полосу пропускания контура, подключая резистор параллельно конденсатору или катушке. При этом необходимо учитывать, что возрастает затухание контура d и уменьшается добротность Q;

е) резонансное эквивалентное сопротивление параллельного контура R_0Э = ρ²/r = = L / ρC = (2πf₀L_К)²/ r = 1 / r(2πf₀С_К)² . Параллельный колебательный контур при резонансе эквивалентен очень большому активному сопротивлению.

Наиболее широко применяются в радиоаппаратуре и, в частности, в резонансных усилителях, параллельные колебательные контуры, редко – последовательные.

Свойство контуров выделять сигналы, частоты которых равны или мало отличаются от резонансной частоты, дает возможность избирательно усиливать сигналы.

Практически радиосигнал представляет собой не одиночное гармоническое колебание, а сложное колебание, состоящее из гармонических сигналов различных частот. Таким образом, радиосигнал занимает определенную полосу – спектр частот. Ширина этого спектра может быть больше или меньше в зависимости от характера передаваемой информации и способа ее передачи.

Исходя из сказанного, желательно, чтобы усилитель усиливал только требуемую полосу частот и не усиливал посторонних сигналов (помех) других частот. Для этого сопротивление колебательного контура, включенного в коллекторную цепь транзистора (или в анодную цепь лампы), должно быть неизменным для сигналов заданной полосы частот и равняться нулю для сигналов других частот. Таким образом, идеальная резонансная кривая должна иметь форму прямоугольника.

Получить такую форму резонансной кривой в случае одиночного контура невозможно, поскольку вершина его резонансной кривой не плоская, а скаты не вертикальные.

Более высокими избирательными качествами по сравнению с одиночным колебательным контуром обладают связанные колебательные контуры. Связанными называют такие электрические цепи, в которых имеет место переход энергии из одной цепи в другую.

Связь может осуществляться через общий магнитный поток, общее электрическое поле или через общий резистор. В соответствии с этим различают индуктивную (трансформаторную или автотрансформаторную), емкостную и гальваническую связи между одиночными контурами (рис. 5).

а) б) в) г)

Рис.5. Схемы связи между контурами: а – трансформаторная, б – автотрансформаторная,

в – емкостная, г – гальваническая

Наибольшее распространение получили трансформаторная, автотрансформаторная и емкостная связи между одиночными контурами. Гальваническая связь практически не используется из-за ряда недостатков.

Дата добавления: 2014-08-04; просмотров: 1195; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!