Бесконтурные урс

Основным фактором, не позволяющим полностью интегрализовать УРС, является наличие катушки индуктивности. Существуют два основных способа обеспечения необходимой селективности без катушек индуктивности и решения этой проблемы:

1) применение пассивных RC фильтров;

2) применение активных RC фильтров.

Первый подход позволяет формировать любые АЧХ, в том числе и полосовые, но приводит к значительному снижению коэффициента передачи. На рис.5.32 показан принцип формирования АЧХ полосового типа с помощью дифференцирующей (ФВЧ) и интегрирующей (ФНЧ) цепей первого порядка (рис5.31).

Рис.5.31

Рис.5.32

Этот принцип может быть легко реализован в апериодических УРС. Разделительные конденсаторы при этом могут выполнять функции элементов дифференцирующих цепей, а входные емкости активных элементов совместно с коллекторной нагрузкой – интегрирующих цепей (рис.5.33).

Второй подход основан на применении частотно-зависимых обратных связей.

Рис.5.33

Типы активных элементов

Обобщенная структурная схема АФ может быть представлена в соответствии с рис.5.34.

Пассивная цепь описывается матрицей Y-параметров, а активный элемент - так называемой цепной матрицей (5.5)

, (5.47)

которая соответствует уравнениям

(5.48)

Направление тока I2 при этом изменено на противоположное.

В (5.47) - коэффициент передачи по напряжению, - проводимость прямой передачи, - передаточное полное сопротивление, - коэффициент передачи по току.

Входное сопротивление АЭ можно определить из (1.23) согласно выражению

(5.49)

где - сопротивление нагрузки.

В зависимости от значений элементов матрицы различают следующие типы АЭ.

Рис.5.34

1. Конверторы: . В этом случае:

. (5.50)

При этом могут быть:

а) конверторы положительного сопротивления (КПС) при ;

б) управляемые источники при :

источник тока, управляемый током (ИТУТ), если и ;

источник напряжения, управляемый напряжением (ИНУН), если и ;

нуллор (идеальный ОУ), если и ;

в) конверторы отрицательного сопротивления (КОС) при :

по напряжению (КОСН), если , а (рис.5.35);

по току (КОСТ), если , а (5.36).

Рис.5.35

Рис.5.36

Рассмотрим пример АФ на основе КОС (рис.5.37).

Рис.5.37

Входное сопротивление цепи равно

и представляет собой некоторую эквивалентную индуктивность. Если к входу схемы добавить емкость, то получим параллельный колебательный контур.

2. Вторая группа - инверторы или обобщенные гираторы при .

Для этой группы

, (5.51)

при этом различают:

а) инверторы положительного сопротивления (ИПС) при . Именно эту подгруппу чаще всего и называют просто гираторами. Если гиратор нагрузить на емкость, т.е.

,

то входное сопротивление гиратора равно

и представляет собой эквивалентную индуктивность.

Внутренние y-параметры гиратора как активного элемента представляются через параметры цепной матрицы следующим образом

.

Обычно , поэтому гиратору соответствует структура, представленная на рис.5.38. Эквивалентная индуктивность при этом равна .

Рис.5.38

Схема электрическая перестраиваемого гираторного полосового звена на дифференциальных каскадах представлена на рис.5.39.

Рис.5.39.

б) управляемые источники при :

источник напряжения, управляемый током (ИНУТ) при , ;

источник тока, управляемый напряжением (ИТУН) при , ;

нуллор (идеальный ОУ) при ;

в) инверторы отрицательного сопротивления (ИОС) при , которые используются крайне редко.

На практике чаще всего применяются следующее разновидности АФ:

а) АФ на основе управляемых источников;

б) АФ на основе КОС;

в) АФ на основе ИПС или гираторов).

Для конверторов характерна наиболее высокая нестабильность и чувствительность параметров. Гираторы отличаются большой сложностью при выполнении в виде дискретных элементов и наиболее подходят для интегрального исполнения. В дискретном исполнении наибольшее распространение получили АФ, выполненные на основе усилителей (управляемых источников) с обратными связями.

Рассмотрим реализацию АФ на основе ИНУН. На рис.5.40 представлены пассивный LC-фильтр и активный RC-фильтр на основе ИНУН. Докажем, что эти на первый взгляд совершенно разные устройства формируют совершенно одинаковые АЧХ и ФЧХ, т.е. имеют одинаковые передаточные функции.

Передаточная функция LC-фильтра определяется в соответствии с выражением

, (5.52)

где p=jω – оператор Лапласа.

Нормированная передаточная функция RC-фильтра при R3=R4=R и C2=C3=C равна

, (5.53)

где K₀ =1 + R7/R6 – коэффициент передачи ИНУН, выполненного на транзисторах VT1 и VT2.

Рис. 5.40

Передаточные функции будут одинаковы, если будут выполняться следующие соотношения между коэффициентами знаменателей:

. (5.54)

Из первого условия получаем, что в случае активного фильтра образуется эквивалентная индуктивность, величина которой равна

,

Из второго условия следует, что величина коэффициента передачи ИНУН определяет величину эквивалентного сопротивления потерь или эквивалентную добротность

.

При К₀ =3 потери полностью компенсируются положительной обратной связью и устройство превращается в генератор.

Таким образом, при полученных условиях устройства имеют одинаковые АЧХ, соответствующие рис.5.41. Эквивалентная резонансная частота активного фильтра равна

.

Рис.5.41

Принцип действия данного АФ основан на применении положительной обратной связи. Сигнал, поступающий в точку А по цепи обратной связи, претерпевает изменение фазы в ФНЧ (R4C3) и в ФВЧ (C2R3). На рис.5.42 показаны графики изменения фазы сигнала в ФНЧ (кривая 1) и в ФВЧ (кривая 2). На некоторой частоте отрицательный набег фазы, полученный из-за влияния ФНЧ, полностью компенсируется положительным набегом из-за влияния ФВЧ (кривая 3). В результате обратная связь становится положительной и происходит рост уровня сигнала на частоте f_о. Величина выброса на этой частоте определяется значением коэффициента передачи ИНУН К_о.

Рис.5.42