Резонансный усилитель

Резонансные усилители очень широко используются в качестве усилителей различных типов радиоприемников – усилителей радиочастоты, усилителей промежуточной частоты, а также применяются в радиопередатчиках, измерительной технике, в телемеханике, автоматике и т.д.

Резонансные усилители – усилители радиочастоты (УРЧ) радиоприемников – это каскады, усиливающие принятый антенной сигнал. В УРЧ сигнал усиливается по напряжению или мощности, без существенных изменений спектра сигнала. Как правило, УРЧ содержат один-два каскада усиления. Большее число каскадов усложняет настройку и снижает устойчивость работы УРЧ.

Резонансные усилители – усилители промежуточной частоты (УПЧ) применяется в радиоприёмных и радиопередающих устройствах, измерительных приборах и т.д. УПЧ обычно состоят из нескольких каскадов, т.е. являются многокаскадными. Например, УПЧ радиовещательных приемников содержат два-три каскада, а УПЧ радиолокационных – до десяти.

Промежуточная частота (ПЧ) f_ПР – это частота, в которую преобразуется частота сигнала на промежуточном этапе его обработки в радиоэлектронном устройстве – приёмнике, передатчике и т.д.

Промежуточная частота f_ПР в супергетеродинном радиоприёмнике – это частота, образуемая смешиванием частоты входного сигнала f_С, принятого антенной и усиленного УРЧ, с частотой гетеродина f_Г, генерируемой маломощным генератором – гетеродином, и равная разности этих частот f_ПР = f_С – f_Г.

Благодаря применению УПЧ достигается полная развязка между каскадами усиления в многокаскадных усилителях. Без применения УПЧ даже слабые наводки, вызвали бы самовозбуждение колебаний, сделав невозможной работу многокаскадного усилителя на ВЧ или СВЧ.

Виды резонансных усилителей.

Резонансные усилители (РУ) можно классифицировать по ряду признаков.

По частотному диапазону различают РУ высокой частоты, в которых ис­пользуют обычные контуры, состоящие из катушек и конденсаторов, и РУ сверхвысоких частот, в которых используют коаксиальные, волноводные и полосковые резонаторы или другие элементы СВЧ.

В зависимости от типа усилительного элемента РУ делятся на транзисторные, на ламповые (на триоде, пентоде, лампе бегущей волны, лампе обратной волны и т.д.), на микросхемах, на параметрическом или туннельном диоде и др.

По виду схем различают резонансные усилители:

а) с однотранзисторными каскадами: с общим эмиттером ОЭ, общим истоком ОИ, общей базой ОБ и общим затвором ОЗ;

б) с каскодными схемами: ОЭ-ОБ, ОИ-ОЗ, ОИ-ОБ, ОИ-ОЭ, ОЭ-ОЭ и ОИ-ОИ;

в) с дифференциальными каскадами, состоящими из двух сим­метричных половин.

Среди однотранзисторных схем с биполярными транзисторами в резонансных усилителях на высоких частотах наибольшее распространение получила схема с ОЭ, позволяющая получить максимальное усиле­ние номинальной мощности при небольшом уровне собственных шу­мов.

В зависимости от вида АЧХ резонансные усилители бывают с единственной четко выраженной резонансной частотой (часто именно такие усилители называют резонансными) и с АЧХ, имеющей в определенной полосе частот пологий участок и по форме приближающейся к прямоугольной (полосовые усилители).

В зависимости от вида резонансной цепи резонансные усилители подразделяются на одноконтурные, двухконтурные, многоконтурные, усилители с пьезоэлектрическими или электромеханическими фильтрами, усилители с резонансными линиями и объемными резонаторами.

По способу настройки контуров различают резонансные усилители с постоянной настройкой и с переменной настройкой, в которых перестройка контуров производится изменением емкости.

В резонансных усилителях с постоянной настройкой используются резонансные системы, состоящие из двух, трех и более контуров или избирательные элементы, имеющие почти прямоугольную АЧХ. Избирательные элементы (сложные колебательные системы) с почти прямоугольной АЧХ называют фильтры сосредоточенной селекции (ФСС) или фильтры сосредоточенной избирательности (ФСИ).

Существует несколько разновидностей ФСС: электрические, электромеханические, пьезоэлектрические, пьезомеханические, пьезокерамические. В современной радиоаппаратуре наибольшее распространение получили ФСС, у которых в качестве колебательного элемента используются обычные LC-контуры, резонаторы из материалов, обладающих пьезоэффектом, и резонаторы из магнитострикционных материалов, а также фильтры на поверхностных акустических волнах.

Типичная электрическая схема усилителя с ФСС на основе LC-элементов и его АЧХ показаны на рис.6,а. Эти ФСС состоят из нескольких колебательных контуров (звеньев), связанных между собой емкостной связью через конденсаторы С₁, как это показано на рис.6,а. Число элементарных ячеек (звеньев) в реаль­ных фильтрах может достигать 10-15.

а) б)

Рис.6. Схема резонансного усилителя с фильтром сосредоточенной селекции (ФСС)

на основе LC-элементов (а) и его АЧХ (б)

Основным преимуществом рассматриваемого типа ФСС является доступность радиоэлементов, на которых они строятся.

ФСС на основе резонаторов из пьезоэлектриков создаются на основе природных или синтезированных материалов, обладающих пьезоэлектрическим эффектом. Пьезоэлектрический эффект – это явление, заключающееся в том, что при механических воздействиях на образец материала на его гранях появляются электрические заряды, и наоборот, при подведении к образцу электрических зарядов в нем возникают механические деформации.

Пьезоэлектрические материалы делятся на две группы: пьезокристаллы (например, кварц, турмалин) и пьезокерамика.

Из пьезоэлектрического материала изготавливают пластины определенной формы, которые называют пьезоэлектрическими резонаторами. Типичные формы пластин пьезорезонаторов показаны на рис.7,а.

Как и ФСС на основе обычных LC-контуров, фильтры на основе пьезорезонаторов формируют из отдельных резонаторов, между которыми осуществляются электрическая (с помощью конденсаторов) или механическая (с помощью диэлектрических пластин) связь.

Пьезофильтр состоит из тонких пластинок резонаторов, помещаемых между металлическими электродами. Все резонаторы пьезофильтра помещаются в общий корпус, в результате чего получается компактная и легкая конструкция.

Схема пьезофильтра представлена на рис.7,б. Резонаторы 1,2,3 и 4 эквивалентны LC-контурам, а резонаторы 5, 6, 7 и 8 выполняют роль элементов связи.

а) б)

Рис.7. Типичные формы пластинпьезоэлектрических резонаторов (а) и схема пьезофильтра (б)

Фильтры сосредоточенной селекции на основе резонаторов из магнитострикционных материалов называются электромеханическими фильтрами (ЭМФ).

Магнитострикция – это возникновение механических колебаний в магнитном сердечнике под действием частоты возбуждающего тока. В качестве элементарной фильтрующей ячейки в ЭМФ используются резонаторы определенной формы, изготовленные из магнитострикционных материалов, изменяющих свои геометрические размеры под действием магнитного поля.

Из-за высокой стоимости ЭМФ используются редко и в основном в профессиональной аппаратуре.

Фильтры на поверхностных акустических волнах (ПАВ) являются одним из наиболее перспективных типов ФСС. Работа фильтров основана на явлениях, происходящих в поверхностном слое пьезоэлектрика и связанных с распространением упругих деформаций.

Для возбуждения упругих деформаций на поверхности пьезоэлектрика создается группа электродов специальной формы, к которым подводится электрическое колебание. После прохождения определенного расстояния энергия ПАВ преобразуется с помощью системы электродов в электрическое колебание. Причем в зависимости от характеристик пьезоэлектрика, взаимного расположения и формы электродов преобразование электрического колебания в ПАВ и обратно происходят эффективно только в определенном диапазоне частот.

Основными преимуществами фильтров на ПАВ являются: высокая воспроизводимость характеристик, стабильность параметров и малые размеры. Однако многие фильтры этого класса обладают большими потерями мощности сигнала в полосе пропускания. Диапазон рабочих частот фильтров на ПАВ составляет 10-100 МГц, от­ношение полосы пропускания АЧХ к ее центральной частоте может быть в пределах от 0,01 до 100 %.

При использовании ФСС в схемах необходимо обеспечить равенство выходного сопротивления источника сигнала входному сопротивлению фильтра, а сопротивления нагрузки – его выходному сопротивлению. В противном случае искажается форма АЧХ ФСС, особенно за пределами полосы пропускания.

В резонансных усилителях с переменной настройкой используют одноконтурные и двухконтурные каскады. Если необходимы простота и экономичность, используют, как правило, одноконтурные резонансные усилители. При профессио­нальном приеме наряду с одноконтурными применяют двухконтур­ные резонансные усилители.

Основные показатели резонансных усилителей.

Для оценки резонансных усилителей используются следующие основные качественные показатели.

1. Коэффициенты усиления напряжения К_U = U_ВЫХ / U_ВХ и мощности K_P = P_ВЫХ / P_ВХ. Для многокаскадного усилителя общий коэффициент усиления К_ОБЩ = К₁К₂ ... К_n, где n – число каскадов.

При изменении настройки резонансного усилителя его коэффици­ент усиления К изменяется. На резонансной частоте сопротивление парал­лельного колебательного контура становится максимальным и чисто активным. При изменении частоты в ту или иную сторону от резо­нансной f₀ коэффициент усиления К уменьшается, так как уменьшается резонансное эквивалентное сопротивление контура R_0Э. Коэффициент усиления на частоте резонанса называется резонансным и обозначается К₀.

2. Избирательность усилителя показывает, насколько уменьшается коэффи­циент усиления на данной частоте fпо сравнению с коэффициентом усиления на резонансной частоте f₀.

Формула для избирательности имеет вид

Se = K₀ / K; Se_дБ = 20lg К₀ / К ,

где К₀ – коэффициент усиления на частоте резонанса; К – коэффициент усиления на частоте, на которой измеряется избира­тельность.

Избирательность в многокаскадном усилителе находится по формулам

Se_общ = Se₁∙ Se₂ ∙ ... ∙ Se_n, Se_{общ. дБ} = Se₁ + Se₂ + ... + Se_n,

где n – число каскадов резонансных усилителей.

3. Полоса пропускания усилителя П = f_В – f_Н характеризует широкополосность резонансного усилителя. Под шириной полосы пропускания понимается полоса частот, на гра­ницах которой коэффициент усиления К снижается до определенного значения относительно резонансного значения K₀. Часто ширину полосы пропускания определяют на уровне 0,707 (3 дБ) от максимального коэффициента усиления напряжения К₀. Если усилитель характери­зуется коэффициентом усиления мощности К_Р, то полоса пропускания отсчитывается на уровне 0,5 от максимального значения K₀.

4. Искажения сигналов в резонансных усилителях могут быть трех видов:

а) амплитуд­но-частотные, зависящие от формы АЧХ, оцениваются с помощью коэффициентов линейных (частотных) искажений на верней и нижней частоте

М_В = К₀/К_В, М_Н = К₀/К_Н ;

б) фазово-частотные, из-за нелинейности фазово-частотной харак­теристики, оцениваются величиной фазового угла φ сдвига между входным и выходным сигналами при изменении частоты сигнала;

в) нелинейные искажения, за счет нелинейности рабочего участка амплитудной характеристики, оцениваются коэффициентом гармоник К_Г. Нелинейные искажения в резонансных усилителях, поскольку входные сигналы очень малы, незначительны.

5. Динамический диапазон определяется по формуле D = U_ВХmax / U_ВХmin или по формуле D_дБ = 20 log U_ВХmax / U_ВХmin .

6. Устойчивость работы характеризует способность резонансных усилителей сохра­нять основные показатели (частоту настройки f₀, коэффициент усиле­ния К₀, полосу пропускания П, форму резонансной характеристики и др.) при изменении условий окружающей среды, например, температуры или изменении напряжения питания.

7. Коэффициент шума К_Ш, который явля6ется важным параметром для резонансных усилителей радиоприемников, например, радиолокационных.

Схема простого резонансного усилителя на биполярном транзисторе.

Рассмотрим в качестве примера схему резонансного усилителя на биполярном n-p-n транзисторе (рис.8). Этот резонансный усилитель находит применение во всем радиотехническом диапазоне частот вплоть до единиц ГГц (1ГГц = 10⁹ Гц).

Рис.8. Схема резонансного усилителя на биполярном транзисторе с одиночным контуром

В состав схемы входят: усилительный элемент VTl ; нагрузка – контур L_К,С_К; источник питания Е, за счет энергии которого происходит усиление сигнала; вспомогательные элементы (R1, R2, R3, R_Ф, C3, С_Ф) , обеспечивающие фильтрацию и режим работы усилительного элемента.

В качестве усилительного прибора этой схеме применен биполярный n-p-n транзистор VT1, включенный по схеме с общим эмиттером (ОЭ). В выходной цепи транзистора в качестве нагрузки включен колебательный контур (L_К,С_К), который используется как избирательная (резонансная) система. Поскольку контур один, то избирательная (резонансная) система называется одноконтурной.

Нагрузка (контур L_К,С_К) включена как в выходную цепь транзистора VT1, так и во входную цепь следующего каскада усиления по схеме с автотрансформаторной связью. Поэтому усилитель называется усилителем с двойной автотрансформаторной связью.

Биполярные транзисторы обладают малым входным и выходным сопротивлениями, поэтому непосредственное подключение их к избирательной (резонансной) системе вызвало бы шунтирование её, а следовательно, ухудшение её добротности Q, т.е. уменьшение избирательности Se и коэффициента усиления К₀ и увеличение полосы пропускания усилителя П.

Чтобы избежать этого, а также для получения наибольшей мощности усиления, обеспечивается согласование, т.е. выходная цепь электронного прибора – коллектор, соединяется с входом избирательной (резонансной) системы (контуром L_К,С_К) автотрансформаторно, с коэффициентом включения m₁.

Вход следующего каскада подключается к избирательной системе (контуру L_К,С_К) также автотрансформаторно, с коэффициентом включения m₂. Этим объясняется применение в схемах, где в качестве усилительного элемента используется биполярный транзистор, избирательной системы с двойной автотрансформаторной связью.

Резонансные усилители после монтажа схемы обязательно настраиваются на заданную частоту. Для этой цели или используют полупеременный подстроечный конденсатор, включённый параллельно основному постоянному С_К (см.рис.8), или в катушке индуктивности предусматривается подстроенный сердечник из магнитного материала, например феррита, либо из диамагнитного, например, латуни.

Питание выходной (коллекторной) цепи осуществляется от источника Е по последовательной схеме питания. Резистор R_Ф и конденсатор С_Ф образуют фильтр, обеспечивающий ослабление связи между каскадами многокаскадного усилителя через общие цепи питания, кроме того, этот фильтр не пропускает в источник питания токи высокой частоты, которые могут нарушить его нормальную работу.

Резисторы R1 и R2 образуют делитель для получения фиксированного напряжения смещения на базу транзистора VT1. Постоянный ток от источника питания Е протекает по цепи: +Е, резисторы R1, R2, корпус, – Е. На резисторе R2 создается падение напряжения, являющееся напряжением смещения. Плюс его подается на базу, а минус на эмиттер транзистора.

Конденсатор С_Р2 – разделительный, он не допускает попадания постоянного напряжения на вход транзистора следующего каскада, но свободно пропускает переменный ток радиочастоты в нагрузку R_Н.

Резистор R3 и конденсатор С3 образуют цепь, создающую отрицательную обратную связь по постоянному току и обеспечивающую температурную стабильность схемы. На резисторе R3 имеется постоянное падение напряжения, создаваемое током эмиттера I_Э. Конденсатор С3 имеет большую емкость и по току высокой частоты полностью шунтирует резистор R3. Поэтому на резисторе R3 создается постоянное напряжение. Оно оказывается включенным в цепь база-эмиттер (входную) последовательно с напряжением смещения, снимаемым с резистора R2. Результирующее напряжение смещения равно разности этих двух напряжений (так как с резистора R2 на базу транзистора поступает по отношению к эмиттеру плюс, а от резистора R3 – минус), то U_СМ = U_R2 – U_R3.

Сопротивление резисторов R1,R2 и R3 выбирается так, чтобы в исходном состоянии рабочая точка находилась на средине прямолинейного участка проходной характеристики транзистора, т.е. задавался класс усиления А.

Температурная стабилизация коллекторного (выходного) тока транзистора осуществляется следующим образом. Если, например, в результате повышения температуры окружающей среды ток коллектора I_К возрастает, то падение напряжения на резисторе R3 увеличивается. Результирующее напряжение смещения на базе транзистора уменьшится и вызовет пропорциональное уменьшение тока коллектора I_К. Режим работы транзистора будет восстановлен.

Особенности рассмотренного усилителя: достаточно малый коэффициент шума К_Ш = 1,6 … 2,5; большой коэффициент усиления мощности (до нескольких десятков); большое R_ВХ каскада.

[1] резонансные усилители применяются на частотах свыше десятков кГц из-за больших размеров катушек на НЧ

[2] подробно резонансные системы с полураспределенными и распределенными параметрами изучаются в учебных курсах «Радиоприемные устройства», «Антенны и устройства сверх высоких частот» и т.д.

[3] Объёмный резонатор – это отрезок круглого или прямоугольного волновода. Частотная настройка резонатора осуществляется с помощью штыря, вводимого в полость резонатора.

[4] Обычно сопротивление r не существует как отдельный элемент колебательного контура. Оно характеризует величину потерь энергии в колебательном контуре и называется активным сопротивлением или сопротивлением потерь. Потери энергии в контуре состоят из потерь энергии в проводе катушки, соединительных проводах, экра­нах, диэлектрических потерь в изоляции проводов, диэлектрике конденсатора, каркасе катушки, потерь на излучение в окружающее пространство и др.

Дата добавления: 2014-08-04; просмотров: 3748; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!