Резонансный усилитель

Резонансный усилитель, иногда называемый "избирательный", применяется для усиления узкополосного сигнала, попадающего в полосу пропускания колебательной системы (контура) усилителя. В качестве усилителя напряжения слабого сигнала используется во входных цепях радиоприемных устройств. Активный элемент работает в линейном режиме.

На рис.1 приведена принципиальная схема простейшего резонансного каскада на транзисторе с общим эмиттером.

Рис. 1

Сопротивление обеспечивает необходимое смещение перехода база-эмиттер, Конденсатор C и катушка индуктивности L (с сопротивлением потерь ) определяют частотные (избирательные) свойства каскада.

Собственные характеристики контура:

- резонансная частота; - добротность; - резонансное сопротивление; - полоса пропускания по уровню половинной мощности.

В отличие от аналогичного резистивного каскада режим работы транзистора по постоянному и переменному токам здесь определяется различными сопротивлениями в выходной цепи. Режим постоянного тока (рабочая точка) определяются сопротивлением и сопротивлением контура по постоянному току, т.е. сопротивлением r_к. Линия нагрузки по постоянному току (ЛН₌) определяется выражением . На рис.2 показано построение ЛН₌ на выходные ВАХ транзистора. Пунктиром показана линия нагрузки для резистивного каскада с сопротивлением в коллекторной цепи, равным . Обычно r_к достаточно мало, по крайней мере r_к<<R_к. Поэтому ЛН₌ для резонансного каскада в данной области ВАХ идет почти вертикально. Рис. 2 Если сопротивление контура на резонансной частоте выбрать равным , то рабочую точку транзистора в резонансном каскаде можно выбрать так: , . Для переменных токов и напряжений мгновенные значения на частоте сигнала, равной резонансной частоте контура, будут связаны соотношением u_кэ,~ = - i_к,~·Z(w _p), определяющим линию нагрузки ЛН_~ на заданной частоте. На рис.2 ЛН_~ проходит через рабочую точку. Ее наклон определяется величиной сопротивления контура на частоте входного сигнала. Ясно, что на резонансной частоте отклонение от вертикали ЛН_~ будет максимальным, т.к. сопротивление контура на резонансной частоте самое большое. Если частота сигнала будет изменяться вправо или влево от резонансной, то в соответствии с изменением частоты модуль сопротивления контура будет уменьшаться: , ЛН_~ будет поворачиваться вокруг рабочей точки, в пределе (w = 0 и w = ) совмещаясь с ЛН₌. Таким образом, при изменении частоты сигнала амплитуда выходного сигнала уменьшается от максимальной на резонансной частоте до нуля. Для ориентировочного определения коэффициента передачи каскада на резонансной частоте, можно использовать ДПХ, построенную для . В резонансном каскаде амплитуда выходного напряжения может достигать величины , в то время, как в резистивном каскаде /2.

Эквивалентная схема каскада   Схема резонансного каскада для переменных токов и напряжений имеет вид, представленный на рис.3. Рис. 3 Включим выходное сопротивление транзистора в колебательную систему в виде вносимого сопротивления . Добротность такого контура будет равна . Чем меньше сопротивление , тем больше уменьшается добротность колебательной системы усилителя. Эквивалентную схему выходной части усилителя можно представить в виде рис.4. Рис. 4. Сопротивление контура в полосе пропускания определяется выражением . Коэффициент передачи усилителя определим как . На резонансной частоте . На рис.5 показаны АЧХ и ФЧХ резонансного каскада с учетом его фазоинвертирующего свойства.Пунктиром показаны собственные АЧХ и ФЧХ колебательного контура. (Пунктиром показаны собственные АЧХ и ФЧХ контура) Рис. 5 Подключение нагрузки также уменьшает добротность и резонансное сопротивление усилителя, ослабляет его избирательные свойства. Особенно это проявляется при построении многокаскадных схем, когда нагрузкой является малое входное сопротивление биполярного транзистора. Для уменьшения влияния выходного сопротивления транзистора и нагрузки используют схемы включения транзистора с общей базой, выходное сопротивление которого много больше ; а также многокаскадные схемы на полевых транзисторах, имеющих высокое входное сопротивление; схемы с частичным (неполным) включением контура.

  Для уменьшения влияния выходного сопротивления транзистора на параметры и частотные характеристики усилителя используют частичное (неполное) подключение транзистора и нагрузки к контуру (рис.7). Рис. 7 Вносимые сопротивления в этом случае уменьшаются в р² раз, где р – коэффициент включения. Коэффициент передачи при этом уменьшается. Для схемы рис.7 где - коэффициент включения транзистора к контуру, - коэффициент включения нагрузки к контуру Добротность нагруженного усилителя равна , где ; . При частичном включении легче обеспечить условия и , позволяющие использовать собственные избирательные свойства контура. Так как , то вместо выше указанных неравенств, можно записать следующие неравенства, исходя из которых следует выбирать коэффициент включения: , , . Пример: Определим коэффициент включения транзистора и нагрузки при условии: =10 Ком; =500 Ом; =1 Ком. Т.к. , то транзистор можно подключить полностью, т.е. =1; для выбора коэффициента включения нагрузки должно выполняться , следовательно, можно выбрать ; . Коэффициент передачи по напряжению уменьшится в 5 раз. Полоса усиления при этом будет такая же, как у контура.

Обратная связь в усилителе Обратная связь (ОС) в усилителехарактеризует передачу на его вход колебаний с выхода отдельного каскада или с выхода всего усилителя в целом. Применение ОС позволяет улучшить характеристики усилителя. По характеру передачи сигнала с выхода на вход различают:

• внутреннюю ОС, образующуюся благодаря межэлектродным и паразитным емкостям схемы и особенностям ВАХ активного элемента;
• внешнюю ОС, которая организуется специальными цепями.

Элементы схемы, создающие ОС, образуют цепь ОС, которая представляет собой чаще всего пассивный линейный четырехполюсник, вход которого подсоединен к выходу усилителя, а выход – ко входу усилителя. В зависимости от того, возрастает или уменьшается сигнал на входе усилителя, обратные связи делятся на:

• положительные (ПОС);
• отрицательные (ООС).

Поскольку фаза как выходного сигнала, так сигнала с цепи ОС зависят от частоты, то считать ОС положительной или отрицательной можно лишь в некотором диапазоне частот. Сильное изменение частоты сигнала (за пределы рабочей полосы усилителя) может привести к смене знака ОС. В усилителях чаще всего специально вводят ООС в рабочей полосе частот. С внутренней ОС мы встретились при анализе каскада с ОЭ, где транзистор характеризовался параметром обратной связи h_12,э. Как было показано, отличие от нуля этого параметра приводит к зависимости от него всех внешних параметров транзистора и усилителя в целом, например, влиянию сопротивления нагрузки на входное сопротивление и сопротивления источника сигнала на выходное сопротивление усилителя. В зависимости от того, каким образом подается сигнал на вход усилителя с цепи ОС и в цепь ОС с выхода усилителя, различают:

• последовательную ОС по напряжению;
• последовательную ОС по току;
• параллельную ОС по напряжению;
• параллельную ОС по току.

Первое слово характеризует связь со входом усилителя: при последовательной ОС с цепи ОС на вход усилителя подается напряжение, а при параллельной - ток. Второе слово характеризует связь цепи ОС с выходом усилителя: если связь по напряжению, то выходной сигнал цепи ОС пропорционален выходному напряжению, если связь по току, то выходной сигнал цепи ОС пропорционален выходному току.

  Обобщенная схема усилителя с ОС представлена на рис.1. Рис.1 Пусть усилитель как активный линейный четырехполюсник задан комплексным коэффициентом передачи , где , комплексные амплитуды сигналов (тока или напряжения) непосредственно на его входе и выходе, а четырехполюсник ОС задан коэффициентом передачи , где комплексная амплитуда сигнала на его выходе. Определим комплексный коэффициент передачи эквивалентного активного четырехполюсника как , где комплексная амплитуда сигнала, поданного на вход системы усилитель + цепь ОС. Так как: , то получается, что: . (1) Из соотношения (1) следует, что при j _к +j _ос =2p n, n=0,± 1,± 2,…, коэффициент передачи усилителя с ОС равен: . (2) Ясно, что его модуль больше модуля коэффициента передачи самого усилителя и при KK_ос ®1 может стать бесконечно большим. Усилитель станет практически неуправляемым. Такая ОС называется положительной. Она используется для создания автоколебательных систем. В усилителях же она может привести к самовозбуждению на той частоте, для которой выполняется условие KK_ос =1. При j _к+j _ос=( 2 к+ 1 )p, к =0,± 1,± 2,…, коэффициент передачи может быть записан в виде: , (3) Откуда видно, что K ^* <K. Такая ОС называется отрицательной. Величина KK_ос называется петлевым коэффициентом передачи или коэффициентом передачи разомкнутой системы. Она определяет глубину ОС. Пример при ООС: если K =100 и K_ос =0,01, то KK_ос =1 (слабая ОС), K ^*=100/(1+1)=50; если K =100 и K_ос =0,09, то KK_ос =9 (глубокая ОС), K ^*=100/(1+9)=10.

Дата добавления: 2015-07-16