IX.3. Параметры резонансных усилителей.
В зависимости от назначения к усилителю предъявляются разные требования. Показатели, важные для одного типа резонансного усилителя, не имеют особого значения для резонансного усилителя другого типа. Например, такой важный показатель для любого усилителя, как коэффициент усиления, не является главным в многокаскадном усилителе, где резонансный усилитель супергетеродинного приёмника применяется главным образом для повышения избирательности по зеркальному каналу и уменьшения коэффициента шума.
Основные качественные показатели резонансного усилителя те же, что и в любом другом усилителе: коэффициент усиления, полоса пропускания, КПД, искажения всех видов и др. В резонансных усилителях КПД не имеет большого значения, так как потребляемая ими мощность обычно значительно меньше мощности, потребляемой другими каскадами. Из всех перечисленных параметров резонансных усилителей наиболее важными являются избирательность и искажения усилителя.
Избирательность резонансного усилителя.
Резонансные усилители отличаются от апериодических тем, что в них в качестве нагрузки применяются параллельные колебательные контуры с достаточно высокой добротностью. Сопротивление такого контура зависит от частоты усиливаемых сигналов, подводимых к его входу. Резонансная характеристика усилителя с нагрузкой в виде одиночного контура имеет вид, показанный на рис.9.5.
Рис. 9.5. Частотная характеристика резонансного усилителя.
Из этого рисунка видно, что при расстройке f коэффициент усиления усилителя снижается от К0 до К1. Это позволяет усилителю, на который подаются сразу напряжения многих частот, усиливать напряжения одних частот и почти не усиливать или даже ослаблять напряжения других частот. Такой резонансный усилитель обладает избирательными свойствами.
Избирательность (селективность) показывает, во сколько раз уменьшается коэффициент усиления резонансного усилителя при заданной расстройке f:
Se = K0 / K1 ……………………………………. (9.22).
Чаще всего избирательность выражают в децибелах:
Se (дБ) = 20 lg K0 / K1 ………………………… (9.23).
Избирательность можно определять не только по резонансной кривой, но и по кривой избирательности, построенной по формуле (9.18).
В случае многокаскадного усилителя общая избирательность равна произведению избирательностей каждого каскада:
Se = Se1 Se2 Se3 ….. Sen ……………….. (9.24).
В логарифмических единицах
Se (дБ) = Se1(дБ) + Se2(дБ) + Se3(дБ) + ….. + Sen(дБ)…. (9.25).
При увеличении добротности контура резонансная характеристика усилителя становится круче, а полоса пропускания его, определяемая на уровне 0,707 от максимального усиления, становится более узкой, что показано на рис. 9.6:
Рис. 9.6. Зависимость полосы пропускания резонансного усилителя от
добротности контура.
Искажения в резонансных усилителях.
В резонансных усилителях возможно возникновение как частотных, так и нелинейных искажений. Частотные искажения определяются резонансной характеристикой усилителя: чем шире полоса усиливаемых им частот, тем меньше величина частотных искажений. Нелинейные искажения, как и в УНЧ, объясняются нелинейностью входных и выходных характеристик усилительных элементов (транзисторов и ламп), но имеют специфический характер. Если в УНЧ, вследствие нелинейности характеристик УЭ, возникают высшие гармоники, которые и искажают входной сигнал, то в УВЧ возникающие высшие гармоники сигнала фильтруются контуром в выходной цепи и в следующих каскадах не усиливаются. Однако если амплитуда несущей будет большая, а нелинейность входной характеристики транзистора будет ярко выражена, то это приведёт к искажению формы огибающей кривой, как показано на рис.9.7.
Рис. 9.7. Возникновение нелинейных искажений в резонансном усилителе.
После детектирования напряжение низкой частоты, повторяющее форму огибающей кривой, будет иметь нелинейные искажения. В таких случаях говорят, что искажения вызваны перегрузкой усилителя.
Для предотвращения нелинейных искажений, вызванных перегрузками, современные радиоприёмные устройства имеют систему автоматической регулировки усиления (АРУ).
Нелинейность входной характеристики вызывает и другие нежелательные явления. Если на управляющий электрод УЭ поступает постороннее мешающее напряжение со значительной амплитудой, то оно будет со своей частотой перемещать рабочую точку по входной характеристике. Если при этом характеристика УЭ нелинейна, то крутизна характеристики в рабочей точке будет изменяться с частотой мешающего сигнала, и, следовательно, будет изменяться и коэффициент усиления каскада. В результате принятый сигнал будет промодулирован помехой. После детектирования обе низкие частоты будут одинаково усиливаться в УНЧ приёмника и прослушиваться в динамике. Это явление называется перекрёстной модуляцией. Она особенно сильно проявляется при низкой избирательности входного каскада. Бороться с ней можно только повышением избирательности входных цепей приёмника.
Искажения могут вноситься ещё за счёт попадания на вход УЭ переменного напряжения от источника питания. В этом случае происходит модуляция полезного сигнала фоном переменного тока. Борьба с этим видом искажений сводится к улучшению фильтрации тока в блоке питания.
Схемы резонансных усилителей на транзисторах.
Резонансные усилители используются, как правило, в усилителях высокой и промежуточной частоты радиоприёмных устройств (РПрУ). Транзисторы на высоких частотах имеют специфические особенности, связанные с их низким входным сопротивлением и значительной проходной ёмкостью (ёмкость СКБ), что вызывает необходимость усложнять транзисторные УВЧ с аналогичными УВЧ, собранными на лампах.
На рис.9.8 приведены некоторые схемы резонансных усилителей на транзисторах. На рис.9.8а транзистор включён по схеме с общей базой, а на остальных – по схеме с общим эмиттером.
Рис.9.8. Схемы резонансных усилителей
на транзисторах:
а) с общей базой; б) с общим эмиттером; в) с трансформаторной связью контура со следующим транзистором; г) с трансформаторной связью транзистора с контуром; д) с применением нейтрализации; е) каскодная схема.
Схема с общей базой позволяет применять выбранный тип транзистора при работе на более высоких частотах, но затрудняет согласование каскада с входным контуром из-за очень низкого входного сопротивления. В остальном схемы рис.9.8а,б совершенно аналогичны.
RБ,CБ в одной схеме и RЭ,CЭ в другой служат для стабилизации рабочей точки (путём создания ООС по постоянному току). Цепочка RФ,CФ служит развязывающим фильтром по цепям питания. По схеме видно, что конденсатор фильтра СФ включён последовательно с переменным конденсатором резонансного контура, но из-за большой ёмкости СФ его влиянием на контур можно пренебречь. Характерным для обеих схем является неполное (в данном случае автотрансформаторное) подключение контура как в коллекторную цепь данного транзистора, так и в цепь эмиттера (или базы) следующего транзистора. Если бы этого не было, – контур был бы сильно зашунтирован входным и выходным сопротивлениями транзисторов, и избирательность каскада была бы очень низкой.
Чтобы постоянное напряжение из цепи коллектора не попало на базу следующего транзистора, на выходе усилителя включается разделительный конденсатор (на схемах не показан).
В схеме рис 9.8в контур усилителя связан с входом следующего транзистора по трансформаторной схеме, а в схеме рис.9.8г применена трансформаторная связь контура с выходом транзистора данного каскада.
В этих схемах разделительный конденсатор не требуется.
Схема рис.9.8д аналогична схеме 9.8в, но здесь применена нейтрализация. Для этого контур включён так, что нулевой потенциал имеет не конец контура, а промежуточная точка а. Поэтому на противоположных концах контура напряжения находятся в противофазе. Так как на базу напряжение ОС поступает через проходную проводимость с одного конца контура, а через цепь нейтрализации RN CN c другого конца контура, то на базе эти напряжения взаимно уничтожаются.
На схеме 9.8е показана схема резонансного усилителя, собранного на двух транзисторах, первый каскад которого включён по схеме с ОЭ, а второй – по схеме с ОБ. Выход первого соединяется со входом второго либо непосредственно, либо, если это не позволяет источник питания ЕК, как в данной схеме, через конденсатор большой ёмкости СК.