17.1 Резонансный усилитель с одночастотным контуром

• в схеме с ОЭ происходит инверсия полезного сигнала. Схемы с ОБ и ОК не изменяют фазу;

• в схеме с ОБ самая большая входная проводимость (равная S). В схеме с ОК входная проводимость самая малая;

• в схеме с ОБ самая маленькая выходная проводимость. В схеме с ОК входная проводимость самая большая.

Лекция №17

РЕЗОНАНСНЫЕ УСИЛИТЕЛИ И УСИЛИТЕЛИ

МОЩНОСТИ

Резонансными называются усилители, нагрузкой которых являются цепи с ярко выраженными резонансными свойствами. В простейшем случае это одиночный параллельный колебательный контур (LC-контур). Вид АЧХ резонансного усилителя с одиночным LC - контуром определяется свойствами нагрузки, то есть контура, сопротивление которого существенно увеличивается при отклонении частоты от резонансной. Поэтому полоса пропускания резонансных усилителей существенно меньше самой резонансной частоты.

.

По этой причине резонансные усилители относятся к классу узкополосных усилителей. Резонансные усилители должны обеспечивать не только большой коэффициент усиления К_усна ΔF_0,7, но и необходимую частотную избирательность.

Избирательность условно зависит от типа резонансной системы, используемой в качестве нагрузки (одиночный контур, система связанных контуров, фильтр сосредоточенной избирательности) и от добротности Q.

Применение резонансных усилителей - усилители радио частот и промышленной частоты.

Схема рассматриваемого усилителя приведена на рисунке 17.1.

Всхеме используется полевой транзистор с общим истоком (ОИ). Колебательный контур должен быть настроен на частоту входного сигнала и иметь полосу пропускания (с учетом шунтирующего действия транзистора и цепи потребителя) не меньше ширины спектра усиливаемого сигнала, резисторы R₃и R_U как обычно обеспечивают режим работы по постоянному току и его стабильность. Емкость C_Uустраняет отрицательную обратную связь по переменному току во всем рабочем диапазоне частот. Цепь R_ФС_Ф- развязывающий фильтр, препятствующий появлению в источнике переменной составляющей. Емкость С_Р- обеспечивает связь выходной цепи с цепью потребителя и развязку по постоянному току. Перечисленные элементы в резонансном усилителе не влияют на АЧХ и в последующем не учитываются.

Рассмотрим эквивалентную схему по переменному току (рисунок 17.2).

На рисунке 17.2 введены следующие обозначения: S - крутизна проходной ВАХ полевого транзистора на резонансной частоте; g_вых,С_вых- выходная активная проводимость и емкость транзистора; g_к- проводимость контура на резонансной частоте; g_п, С_п- цепь потребителя (в многокаскадном усилителе - это входная активная проводимость и емкость следующего каскада); С_М- емкость монтажа.

Если мы объединим однородные элементы, то можно записать:

g_экв=g_вых+g_к+g_п(или g_экв=g_вых+g_к+g_вх),

где g_экв- эквивалентная проводимость.

С_экв=С_вых+С_к+С_п+С_м(или С_экв=С_вых+С_к+С_м+С_вх),

где C_экв– эквивалентная емкость.

Это позволяет упростить эквивалентную схему (рисунок 17.3).

Получается параллельный колебательный контур, питаемый источником SU_mвх. Из эквивалентной схемы можно получить коэффициент усиления:

,

где Y_экв - эквивалентная проводимость в катушке индуктивностиL:

где ;R_экв- сопротивление контура при резонансе с учетом собственных и внешних потерь:

где - эквивалентная добротность контура:

.

В результате подстановки Y_экв в формулу дляKполучим:

.

На резонансной частоте коэффициент  равен нулю, и усилитель имеет максимальный коэффициент усиления:

.

Резонансный коэффициент усиления определяется усилительными свойствами транзистора (S) и эквивалентным сопротивлением нагрузочного контура. Выражение для АЧХ рассматриваемого усилителя можно получить из выражения дляK(ξ):

.

Полоса пропускания определяется добротностью контура и его затуханием:

,

где - эквивалентное затухание контураd=1/Q.

Коэффициент прямоугольности такого каскада приблизительно равен десяти, следовательно, избирательность каскада также невысока.

Если выходные сопротивления и нагрузка подключены по входу следующего каскада и не шунтируют контур, то есть g_вых<<g_ки g_вх<<g_к, то коэффициент усиленияK_РиΔF_0.7определяются характеристическим сопротивлением и добротностью самого контура (собственными потерями контура):

17.2 Многокаскадные резонансные усилители

В многокаскадных резонансных усилителях на биполярных транзисторах, выполненных по схеме с непосредственным включением, коэффициент усиления и избирательность могут значительно снизиться из-за сильного шунтирования контура достаточно большим входным сопротивлением следующего каскада.

Кроме того, выходное сопротивление транзистора по частоте f_o, тоже может быть небольшим и оказывать шунтирующее действие. Для устранения этого шунтирующего действия целесообразно применение неполного подключения к контуру транзисторов двух смежных каскадов. Один из возможных вариантов приводится на рисунке 17.4.

Неполное включение обеспечивается автотрансформаторной связью контура как с коллектором транзистора VT1, так и с последующей нагрузкой.

Коэффициенты включения m₁иm₂определяются соотношениями:

,

где - амплитудное напряжение на нагрузке;- амплитудное выходное напряжение каскада.

Нарисуем эквивалентную схему каскада с двойным автотрансформаторным включением (рисунок 17.5).

Пересчитаем частоту, ток SU_mвх, емкости транзистора VT1 и входной цепи следующего каскада, а также емкость монтажа, используя коэффициент включенияm₁иm₂в контур. В результате получим преобразованную схему,приведенную на рисунке 17.6.

Всхеме на рисунке 17.6 ток эквивалентного генератора равенm₁·SU_mвх, а проводимости и емкости определяются из соотношений:

Суммируя параллельно соединенные проводимости и емкости, можно прийти к еще более упрощенной схеме каскада с эквивалентным контуром LC_экв,R_экв:

Полученная эквивалентная схема приведена на рисунке 17.7.

Эквивалентная схема на рисунке 17.7 универсальна, так как она справедлива при любом включении прибора и при любой схемной реализации связи контура с выходом транзистора и нагрузкой. В рассмотренной нами ранее схеме m₁=1,m₂=1. При неполном включении контура комплексный коэффициент усиления:

.

Модуль коэффициента усиления:

.

Коэффициент усиления на резонансной частоте (ξ=0):

.

Для получения максимального коэффициента усиления при заданной полосе необходимо обеспечить режим согласования:

.

Обычно собственные потери в контуре малы (g_k << m₁²g_вых, g_k=0,), поэтомуg_kмы пренебрегаем и получаем:

.

При выполнении этого условия резонансный коэффициент усиления имеет максимальную величину:

.

Для максимального усиления m₁иm₂выбирают из условий:

.

Однако, в реальных усилителях коэффициент усиления не должен превышать значений, соответствующих устойчивому коэффициенту усиления:

,

где ω_РС₁₂- реактивная составляющая проводимостиY₁₂на резонансной частоте (для полевого транзистораС₁₂=С_ЗИ, для биполярного транзистораС₁₂=С_КБ).

Если К_Р>К_Руст, то деформируется АЧХ (полоса пропускания уменьшается, и сдвигается влево). ПриК_Р>>К_Руст(условие самовозбуждения) схема является автогенератором.