Шарапов А.В.Аналоговая схемотехника_пос

					150
		13 ИЗБИРАТЕЛЬНЫЕ УСИЛИТЕЛИ
		13.1 Резонансный усилитель с параллельным
		LC-контуром
		Усилители, предназначенные для усиления сигналов в узкой
	полосе частот, называют избирательными. Избирательное уси-
	ление можно получить с помощью частотно-зависимой цепи (на-
	пример, параллельного или последовательного LC-контура),
	включенной либо в нагрузку, либо в цепь обратной связи транзи-
	сторного усилительного каскада. Усилители с резонансными кон-
					Е	турами иначе назы-
						вают резонансными
		R1	L		C	усилителями.
					C2	Избирательные
						усилители	широко
	C1
						используются		для
						усиления	сигналов
					Rн	радиочастот (усили-
	Uвх	R2	R3		C3	теливысокихчастот–
						УВЧ), при суперге-
						теродинном приеме
						(усилители	проме-
	Рис. 13.1 – Схема резонансного усилителя					жуточной частоты –
						УПЧ), в измери-
		с параллельным LC-контуром
						тельной технике, в
	системах телемеханики с частотным разделением каналов.
		В представленном на рис. 13.1 усилительном каскаде в цепь
	коллекторной нагрузки включен параллельный колебательный
	контур. Сопротивление контура зависит от частоты. На резо-
	нансной частоте		f0	1	оно имеет максимальное значение
			2	LC
	R0. Соответственно коэффициент усиления каскада на этой час-
	тоте максимальный и убывает при расстройке частоты в область
	более высоких и низких значений.
		Эквивалентная схема каскада приведена на рис. 13.2. Пред-
	полагается, что в рассматриваемом диапазоне частот конденсато-

151

ры C1, C2, C3 можно считать закороченными, а частотные свойства транзистора еще не проявляются.

Uвх

iБ

h11Э

h22Э

L

C

R0

Rн

RБ

iБ h21Э

Uвых

Рис. 13.2 – Эквивалентная схема каскада для диапазона частот вблизи резонансной частоты контура

Резисторы R1 и R2 отображены на схеме одним эквивалентным резистором

R1 R2 RБ R1 R2.

Выходное напряжение можно определить как произведение тока h21ЭiБ на комплексное сопротивление выходной цепи каскада Zэкв(j ) и записать коэффициент усиления каскада по напряжению в виде

К j

h21ЭiБZэкв j

h21ЭZэкв j

,

(13.1)

iБh11Э

h11Э

где

Zэкв j

1

Rэкв

;

1

1

1

j C

1 jR

C

j L

Rэкв

1

экв

L

R

R

R .

экв

0

h

н

22Э

Модуль К(j ) определяет амплитудно-частотную характе-

ристику коэффициента усиления по напряжению

К

К0

,

(13.2)

1 R

2

C

1

2

экв

L

где К0 h21ЭRэкв – коэффициент усиления каскада на частоте

h11Э

резонанса.

Соотношение (13.2) легко приводится к типовому виду

152

К

К0

,

(13.3)

1 Q

Y 2

Rэкв

экв

где Q

– эквивалентная добротность каскада;

(13.4)

экв

L

1

L

– волновое сопротивление контура;

0

0C

C

Y

0

0 0

2

– относительная рас-

0

0

0

стройка частоты.

К

Полосе пропускания каскада на уровне К

0

соответ-

2

ствует

относительная

расстройка

частоты

Y

2 f '

1

,

откуда

iвых

Q

iвх

f

0

экв

Uвых

получаем выражение для опреде-

Uвх

ления

f0

добротности

каскада:

Q

. Следовательно, доб-

Рис. 13.3 – Каскодное вклю-

экв

2 f

чение транзисторов по схе-

ротность

каскада

можно

опреде-

мам с общим эмиттером и

лить

экспериментально

как отно-

общей базой

шение резонансной частоты к по-

лосе пропускания (см. рис. 13.5, а).

Важной характеристикой усилителя является его избирательность, определяемая как отношение коэффициента усиления на резонансной частоте к коэффициенту усиления на заданной частоте помехи fп

К0

fп

f

2

2

2

0

М

1 QэквYп

(13.5)

1 Qэкв

f0

.

К fп

f

п

Добротность контура Q R0 должна быть выше добротно-

сти каскада, рассчитанной по заданной избирательности:

Qэкв М 2 1 М ,

Yп Yп

153

так как контур шунтируется выходным сопротивлением транзистора и сопротивлением нагрузки.

13.2 Каскодный усилитель

Если один каскад обеспечивает требуемую избирательность, но не обеспечивает необходимое усиление, можно ввести дополнительный усилительный каскад с резистивной нагрузкой.

При последовательном включении двух резонансных усилителей, настроенных на одну и ту же частоту, их избирательности перемножаются.

Высокочастотные избирательные усилители с большим коэффициентом усиления склонны к самовозбуждению за счет внутренней обратной связи по напряжению в транзисторе (ее отражает параметр h12Э, который мы не учитывали в приближенных эквивалентных схемах). Для устранения самовозбуждения используется каскодное включение транзисторов (рис. 13.3). Входной транзистор включен по схеме с ОЭ, выходной – по схеме с ОБ. Эквивалентный транзистор имеет следующие параметры:

h11 h11Э;

h21 h21Э;

h12 h12Б;

h22 h22Б.

Каскад с общей базой отличается очень малыми значениями параметров h12Б и h22Б. Поэтому в каскодном усилителе уменьшается внутренняя обратная связь в транзисторе по напряжению и шунтирующее влияние выходной проводимости транзистора на контур. Это позволяет устранить самовозбуждение при высоком коэффициенте усиления каскада.

Для уменьшения шунтирующего влияния нагрузки связь контура с ней делается трансформаторной или автотрансформаторной. Для уменьшения влияния выходной проводимости транзистора используется неполное включение транзистора в контур.

С учетом ряда отмеченных приемов построена схема резонансного усилителя, приведенная на рис. 13.4. Выходные цепи транзистора VT1 с ОЭ и транзистора VT2 с ОБ по постоянному току включены последовательно. Задаваясь током в выходной цепи I0 1 мА и током делителя Iд 10IБ = 10I0 / легко рассчитать сопротивления резисторов Rф, R1, R2, R3, RЭ, задающих указанные на схеме потенциалы.

			154
					9 B
	R1
	CБ			Rф
	5 B	VT2			L
					a
					d
	R2	4,3 B			b
	C1	VT1		C	Rн
	2 B				L1
		1,3 B	8 B		e
Uвх	R3		CЭ	Cф	c
		RЭ
	Рис. 13.4 –	Схема каскодного усилителя

Коэффициент усиления каскада на резонансной частоте оп-

ределяется выражением К0 pnh21Э Rэкв , (13.6)

h11Э

эквивалентная добротность каскада

Qэкв			Q				,	(13.7)
					n2
1 R		p2h
0			22Б		R
					н

где n Wde – коэффициент трансформации трансформатора;

Wac

p Wbc L1 – коэффициентвключения транзистора в контур;

Wac L

Q – добротность свободного контура;

R0 – резонансное сопротивление контура;

R		R					Rн			1	– эквивалентное сопротивлениеконтура.
	экв	0					n2			p2h
										22Б

Катушка контура выполнена с применением ферритового сердечника. Настройка контура на резонансную частоту осуществляется с помощью конденсатора переменной емкости C.

155

	Иногда от усили-					M
	телей требуется вос-
	произведение	полосы	C	L	C	C
	частот (например, в
					L	L
	УПЧ). Частотную ха-
	рактеристику	столооб- К			К

разной формы получа-

К0

2 f

К0

ют, используя «двой-

К0

К0

ки» или «тройки» по-

2 f

2

2

следовательно

вклю-

ченных взаимно

рас-

строенных

каскадов

0

a f0 f

0

б f0

f

или полосовой

двух-

контурный

фильтр со

Рис. 13.5 –– АЧХ резонансного усилителя (а)

связью, близкой к кри-

с простым параллельным контуром и усили-

тической (рис. 13.5, б).

теля с системой связанных контуров (б)

Резонансные уси-

при критической связи

лители типа LC просты в изготовлении и настройке на высоких частотах (десятки килогерц и выше). В диапазоне звуковых и промышленных частот, когда трудно изготовить контуры с высокой добротностью, находят применение избирательные усилители типа RC. Все процессы в RC-цепях могут протекать только апериодически. Однако процесс может стать колебательным, если с помощью усилителя компенсировать потери в схеме, повысив тем самым ее добротность. Частоту настройки RC-цепи, соответствующую резонансу в LC-контуре, называют частотой квазирезонанса.

13.3Избирательный усилитель типа RC со сложной ООС

С применением операционных усилителей строятся относительно низкочастотные избирательные усилители. Хорошо зарекомендовал себя в практических устройствах избирательный усилитель типа RC на ОУ с двухпетлевой ОС (рис. 13.6). Коэффициент передачи за пределами полосы пропускания ослабляется двумя параллельными частотно-зависимыми ООС. Одна из них

156

	C1	R3
	R1	C2
Uвх		Uвых
		R2

Рис. 13.6 – Схема избирательного усилителя со сложной ООС

создается делителем С1, R1R2 и действует на

высоких частотах, а другая – делителем R3, C2, R1R2 и действует на

низких частотах. Одновременно конденсатор С2 действует как разделительный и ослабляет передачу низких частот

со входа схемы.

Основные параметры усилителя при С1 = С2 = С определяются соотношениями:

f0

1

R1 R2

– частота квазирезонанса;

2 C R1 R2 R3

K0

R3

– коэффициент усиления на частоте f0;

2R1

1

Q

R3(R1 R2)

R3 C f

– эквивалентная доброт-

экв

2

R1 R2

0

ность;

2 f	f0		1	– полоса пропускания на уровне 3 дБ.

Qэкв R3 C

Изменять резонансную частоту можно варьируя величину сопротивления резистора R2, что не приводит к изменению коэффициента усиления и ширины полосы пропускания каскада.

Рассмотрим числовой пример расчета усилителя. Пусть необходимо построить избирательный усилитель с f0 = 100 Гц, К0 = 10 и Qэкв = 5. Выбирая R3=110 кОм, находим R1 R32K0 5,5 кОм и C Qэкв f0R3 0,15 мкФ. Тогда R1R2 1R3 С 0 2 1023 Ом и R2=1251 Ом.

157

13.4 Активные фильтры нижних и верхних частот

Для подавления сигналов в диапазоне частот выше некоторой частоты f0 используются фильтры нижних частот (ФНЧ), а ниже граничной частоты f0 – фильтры верхних частот (ФВЧ), примеры практической реализации которых показаны на рис. 13.7. Граничная частота определяется соотношением

f0 12 RC. Коэффициент передачи в полосе пропускания рас-

смотренных фильтров равен единице (ОУ используется как повторитель напряжения). Крутизна логарифмической амплитудночастотной характеристики представленных фильтров второго порядка за границей пропускания – 40 дБ/дек. Полосовой фильтр строится путем последовательного соединения ФНЧ и ФВЧ, настроенных на граничные частоты полосы пропускания.

		С		R
	R	R	С	С
	Uвх	Uвых	Uвх	Uвых
		С		R
		а	б

Рис. 13.7 – Схемы активных фильтров нижних (а) и верхних (б) частот

158

14 ГЕНЕРАТОРЫ ГАРМОНИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ

14.1Структурная схема генератора. Условия баланса фаз и амплитуд

Электронным генератором называют устройство, преобразующее с помощью усилительных элементов энергию источника питания в энергию электрических колебаний заданной формы и частоты. По форме генерируемых колебаний различают генераторы гармонических колебаний и релаксационные (импульсные) генераторы. По виду избирательной цепи различают LC- и RC-генераторы гармонических колебаний.

Маломощные генераторы гармонических колебаний широко используются в измерительной технике, автоматике, как задающие устройства радиопередатчиков и устройств преобразовательной техники. Генераторы средней и большой мощности применяются для питания технологических установок высокочастотного нагрева, ультразвуковой обработки, электронных микроскопов, в радиопередающих устройствах.

Структурная схема LC-генератора гармонических колебаний показана на рис. 14.1. В колебательном контуре непрерывно возникают и постоянно затухают из-за наличия потерь собственные электрические колебания с малыми амплитудами, частота которых определяется параметрами контура. Их причиной являются флуктуационные токи, вызванные тепловым движением электронов в проводнике. Усилительный элемент и цепь обратной связи предназначены для превращения этих колебаний в незатухающие. Пополнение энергии контура происходит током транзистора каждый период в фазе с собственными колебаниями контура. Иначе такой автогенератор можно рассматривать как избирательный усилитель с положительной обратной связью (ПОС). Процесс возникновения и нарастания колебаний происходит до тех пор, пока в автогенераторе не установятся стационарные значения тока и напряжения, обусловленные нелинейными свойствами усилительного элемента.

Для анализа процессов в автогенераторе в петле ПОС можно выделить два звена, коэффициенты передачи которых зависят соответственно от амплитуды и частоты колебаний. Тогда петлевое

159
усиление контура ПОС можно записать в виде	Т А, j
К А ос j . Для возникновения автоколебаний	обратная

связь должна быть положительной и петлевое усиление должно быть больше единицы.

Стационарный режим автоколебаний описывается уравне-

нием

Т Аг, j г К Аг ос j г 1,

где Аг – амплитуда колебаний генератора, г – частота колебаний.

Источник		Усилительный		Колебательный
питания		элемент		контур

Цепь обратной связи

Uвых Аг, г

Рис. 14.1 – Структурная схема генератора

Это уравнение обычно распадается на два условия:

а) баланс фаз (из которого определяется частота колеба-

ний):

.

argT к ос 2 n, где n 0,1, 2,...;

б) баланс амплитуд (из которого определяется Аг ):

.	К Аг ос 1.
T Аг

г

Определение частоты колебаний производится в рамках линейной теории, определение же амплитуды колебаний требует решения нелинейных уравнений. Проще всего такая задача решается графическим путем (совмещением амплитудной характеристики усилителя и характеристики передачи цепи обратной связи; их точка пересечения соответствует стационарному режиму автоколебаний).