что такое избирательный усилитель

Избирательные усилители

Избирательными или селективными называются усилители, имеющие узкую полосу пропускания и усиливающие сигналы толь­ко в пределах этой полосы. За пределами полосы пропускания усиление значительно меньше, либо вообще отсутствует.

Избирательные усилители применяются для усиления сигналов как на высоких, так и на низких частотах. Они используются в селективных вольтметрах, анализаторах спектра, синтезаторах частоты, измери­телях нелинейных искажений и многих других радиоизмерительных приборах. Кроме того, такие усилители являются одним из важнейших каскадов радиопередающих и радиоприёмных устройств. По принци­пу действия избирательные усилители делятся на резонансные и усилители с частотно-зависимой обратной связью.

В резонансных усилителях узкая полоса пропускания обеспечивается использованием в качестве нагрузки выходной цепи транзистора
параллельного LC-контура, обладающего частотно-избирательными
свойствами.

В усилителях с частотно-зависимой обратной связью используют­ся цепи частотно-зависимой обратной связи, усиливающие или подав­ляющие сигналы в узком диапазоне частот, что предопределяет резо­нансный характер частотной характеристики усилителя.

Резонансные усилители.В зависимости от вида резонансной цепи резонансные усилители подразделяются на одноконтурные, двухконтурные, многоконтурные, усилители с пьезоэлектрическими и электромеханическими фильтрами, усилители с резонансными линиями и объёмными резонаторами.

В зависимости от вида АЧХ различаются усилители резонансной частоты и полосовые усилители с АЧХ по форме, близкой к прямоу­гольной. В резонансных усилителях нагрузкой выходной цепи усили­тельного элемента является параллельный колебательный контур (фильтр), имеющий высокое сопротивление для резонансной частоты и малое сопротивление для других частот. Транзистор может быть включён по схеме с общей базой, общим эмиттером и общим коллектором, однако в большинстве случаев используются схема с общим эмиттером, обеспечивающая максимальное усиление по мощности с малым уровнем шума. Частотная характеристика резонансного усилителя определяется параметрами колебательного контура, причём избирательные свойст­ва контура могут быть наиболее полно реализованы в схеме усилителя при условии малого шунтирования контура выходным сопротивлени­ем источника сигнала и входным сопротивлением нагрузки. Известно, что транзистор имеет низкие входные и

выходные сопротивления. Поэтому при построении схем транзисторных

усилителей приходится считаться с шунтирующим действием этих сопротивлений на контур, ведущий к снижению коэффициента усиления каскада и ухудшению его избирательных свойств.

Для уменьшения влияния транзисторов ( данного каскада и сле­дующего) на контур в схемах резонансных усилителей, как правило, используют неполное включение контура в коллекторную цепь тран­зистора. Такое включение может быть достигнуто, например, с помо­щью автотрансформаторной схемы включения контура (рисунок 1.77).

Рисунок 1.77—Схема принципиальная резонансного усилителя ( а) и

Данная схема состоит из следующих элементов: индуктивность L₁ совместно с конденсатором С₁ образуют параллельный колебательный контур, резисторы R₁ и R₂ предназначены для создания напряжения смещения на транзистор VT, разделительные конденсаторы C_p1 и С_р2 выбираются таким образом, чтобы они не оказывали влияние на частот­ную характеристику резонансного усилителя. Коэффициент усиления резонансного усилителя максимален при
совпадении частоты усиливаемого сигнала f_c с резонансной частотой
колебательного контура fо=1/2π√L₁·C_экв, уменьшаясь на других час­тотах.

Усилители с частотно-зависимой обратной связью. Резонансные и полосовые усилители дают хорошие результаты лишь при рабочей частоте порядка единиц килогерц и выше. На бо­лее низких частотах индуктивность резонансного контура оказывается чрезмерно большой и контур становится громоздким и дорогим. Катушка индуктивности такого контура содержит много витков тонкого провода и очень чувствительна к наводкам и помехам, а также ухудшаются технические (добротность, избирательность) показатели. Поэтому избирательные усилители, предназначенные для работы на частотах

порядка сотен герц и ниже, обычно строятся с использовани­ем частотно-избирательных фильтров типа RC в цепи отрицательной обратной связи.

Структурная и принципиальная схема приведена на рисунке 1.78,а.б Т-образный фильтр включается в цепь отрицательной обрат­ной связи. На квазирезонансной частоте f_o фильтр вносит максималь­ное затухание в сигнал, проходящий с выхода на вход. Поэтому глуби­на отрицательной обратной связи практически равна нулю и усиле­ние сигнала оказывается максимальным. На частотах, отличающихся от квазирезонансной, затухание, вносимое фильтром, уменьшается. При этом усиливается отрицательная обратная связь и соответствен­но уменьшается усиление сигнала. Частотная характеристика такого усилителя (рисунок 1.78,а) напоминает резонансную характеристику колебательного контура и, следовательно, приведенная схема по своим свойствам подобна избирательному усилителю с нагрузкой в виде ко­лебательного контура.

Для того, чтобы избежать влияния малого сопротивления источника входного напряжения на фильтр, между входом усилителя и фильтром включают развязывающий резистор Rг. Величи­на сопротивления этого резистора составляет 1,2 МОм.

Каскодная схема на полевых транзисторах и с резонансным контуром

Один из способов устранения ёмкостной обратной связи и эффекта Миллера, который можно реализовать как на биполярных, так и на полевых транзисторов. В случае полевых транзисторов один из которых VT1 включается по обычной схеме с общим истоком, но вместо нагрузки и получения выходного сигнала непосредственно на стоке этого транзистора вводится другой полевой транзистор VT2, причем этот транзистор включен по схеме с общим затвором. Этот принцип применяется в предусилителях, в приёмниках FM – диапазона ( рисунок 1.79 )

Рисунок 1.79 – Предусилитель для радиодиапазона коротких волн на полевых

транзисторах с р-п- переходом в каскодном включении

Насхеме ( рисунок 1.79 ) транзистор VT1 включен по схеме с общим истоком. В цепь стока транзистора VT1, включен транзистор VT2 по схеме с общим затвором, так что сопротивление нагрузки в цепи стока транзистора VT1 равно 1/S и это сопротивление очень мало по величине. Если оба полевых транзисторов имеют одинаковую крутизну S, то коэффициент усиления напряжения на транзисторе VT1 равен

Благодаря этому единичному усилению напряжение сигнала на емкости сток-затвор транзистора VТ1, пренебрежимо мало и эффект Миллера несущественен.

Оконечная нагрузка Z_Lпомещена в цепь стока транзистора VT2и в дан­ном случае представляет собой резонансный контур с большим сопротивле­нием на нужной частоте. Поскольку ток стока транзистора VT2должен рав­няться току стока транзистора VT1, на стоке транзистора VT2возникает напря­жение выходного сигнала, а коэффициент

Рисунок 1.80 – Схема предусилителя на п- канальном МОП – транзисторе с

На рисунке 1.80, в каскодной схеме к двум полевым транзисторам в одном корпусе, есть конструкция с одним каналом и двумя затворами. Таковым является МОП – транзистор с двумя затворами, иногда применяемый для усиления на высоких частотах. МОП – транзистор с двумя затворами представляет собой твердотельный эквивалент лампового тетрода ( с экранной сеткой ) ; затвор служит электростатический экран между стоком и затвором, приводя таким образом к значительному уменьшению ёмкости обратной связи до столь малой величины, равной ламповому триоду.

Источник

Избирательные усилители

Избирательные усилители предназначены для усиления сигналов в некоторой узкой полосе частот. Их частотная характеристика должна обеспечивать требуемое усиление в заданной полосе частот и достаточно крутой спад усиления вне этой полосы (рис. 2.55).

Полоса пропускания избирательного усилителя 2Δf = f_в. — f_н опреде ляется на уровне

К_Uт / √¯2, где К_Uт — коэффициент усиления при резонансной частоте f₀. Отношение боковых частот для таких усилителей f_в / f_н = 1,001 — 1,1. Селективность усилительных свойств оценивают добротностью

(2.148)

величина которой может составлять десятки и сотни.

Частотная избирательность рассматриваемых усилителей создает высокую помехозащищенность систем, работающих на фиксированных частотах, что широко используется в устройствах автоматического управления и контроля. На способности выделения с помощью избирательных (узкополосных) усилителей фиксированных гармонических составляющих из широкого спектра частот входного сигнала основана работа ряда измерительных устройств промышленной электроники. Избирательные усилители широко распространены в радиоприемных и телевизионных устройствах, а также в многоканальных системах связи. Здесь они решают задачу настройки приемного устройства на фиксированную частоту принимаемой станции (канал связи), не пропуская сигналы других частот.

Избирательные усилители при частотах свыше десятков килогерц создают введением параллельного колебательного LС-контура в цепь нагрузки усилительных каскадов (резонансные усилители). Низкочастотные узкополосные усилители выполняют с обратными связями через частотно-зависимые RС-цепи.

Пример построения усилительного каскада резонансного усилителя показан на рис. 2.56, а. Его особенностью в сравнении с обычным каскадом является наличие колебательного контура в коллекторной цепи транзистора. Связь с последующим усилительным каскадом подобного типа или нагрузкой может осуществляться через разделительный конденсатор (как в приведенной схеме) или трансформатор, первичная обмотка которого определяет индуктивность, колебательного контура.

Качественно характер зависимости коэффициента усиления каскада от частоты вида рис. 2.55 объясняется зависимостью от величины сопротивления, создаваемого колебательным контуром в коллекторной цепи транзистора. На резонансной частоте сопротивление колебательного контура велико, в связи с чем коэффициент усиления максимален. При отклонении частоты влево или вправо от резонансной сопротивление контура уменьшается ввиду увеличения шунтирующего действия соответственно его индуктивности или емкости.

Рис. 2.56. Схема резонансного усилителя (а), его схемы замещения на резонансной частоте (б, в) и частоте, близкой к резонансной (г)

Это вызывает уменьшение коэффициента усиления каскада.

Коэффициент усиления многокаскадного резонансного усилителя равен произведению коэффициентов усиления входящих в него каскадов. Если частотные характеристики каскадов одинаковы и каскады настроены на одну и ту же резонансную частоту, то частотной характеристике всего усилителя будет соответствовать более узкая полоса пропускания, чем полоса частот отдельных каскадов.

В настоящее время резонансные усилители, как и усилители других типов, применяются преимущественно в интегральном исполнении. Микросхема избирательного усилителя обычно содержит большую часть элементов реализуемой принципиальной схемы (в том числе и конденсаторы малой емкости). Исключение составляют индуктивность L. и емкость С колебательного контура, которые используют в качестве навесных элементов. Для ограничения количества дискретных компонентов широко распространена непосредственная связь между каскадами в усилителе с включением колебательного контура лишь в один из каскадов.

Узкополосные усилители с резонансным контуром создают на частоты свыше десятков килогерц. Для диапазона более низких частот применение резонансных усилителей нерационально из-за больших габаритов элементов LС-контура. В диапазоне звуковых и особенно промышленных частот узкополосные усилители выполняют с обратными связями через частотно-избирательные RС-цепи.

Очевидно, для получения частотной характеристики усилителя вида рис. 2.55 двойной Т-образный мост следует включить в цепь отрицательной обратной связи (рис. 2.58, а)

Рис. 2.57. Схема двойного Т-образного моста (а), зависи­мости его коэффициента передачи и угла фазового сдвига от частоты (б)

. Предположим, что используемый усилитель имеет частотную характеристику К_U (f) (рис. 2.58, б) с коэффициентом усиления в области низких и средних частот К_UmПри частотах входного сигнала f, отличных от f₀, коэффициент передачи цепи обратной связи ǽ →1 и сигнал с выхода усилителя полностью передается цепью отрицательной обратной связи на его вход. В усилителе действует глубокая отрицательная связь. Коэффициент усиления усилителя с такой обратной связью близок к единице.

Рис. 2.58 (а) Структурная схема включения двойного Т-образного моста для создания избирательного усилителя

Рис. 2.58 (б) Частотная характеристика избирательного усилителя с двойным Т-образным мостом

По мере приближения к частоте f₀ модуль коэффициента передачи ǽ двойного Т-образного моста уменьшается, что вызывает ослабление отрицательной обратной связи и возрастание коэффициента усиления К_Uос. На частоте f₀ ǽ = 0 и отрицательная обратная связь отсутствует. Коэффициент усиления К_Uос. на этой частоте равен коэффициенту усиления К_Umиспользуемого усилителя.

Добротность Q [см. (2.148)1, характеризующая избирательные свойства усилителя, зависит от селективности цепи обратной связи и коэффициента усиления К_Umусилителя (рис. 2.58, б).

Для рассматриваемого типа усилителей добротность Q = К_Um /4. Для сохранения высокой избирательности двойного Т-образного моста в усилителе необходимо обеспечить режим работы моста по выходу, близкий к холостому ходу, а сигнал подавать от источника с малым внутренним сопротивлением. Иными словами, его следует включать в усилитель между эмиттерными повторителями входного и выходного каскадов. Немаловажную роль играет и точность выбора параметров элементов R, С двойного Т-образного моста. При чрезмерном разбросе параметров элементов характеристики схемы становятся отличными от приведенных на рис. 2.57, что приводит к наруше­нию требуемого режима работы усилителя.

Рис. 2.59. Схема избирательного усилителя на ОУ с двойным Т-об­разным мостом

При построении избирательных усилителей с двойным Т-образным мостом в цепи отрицательной обратной связи удобно использовать схему усилителя с двумя входами (с дифференциальным входным каскадом). На один из входов подается усиливаемый сигнал, а по второму осуществляется отрицательная обратная связь. Цепь обратной связи подключается к тому из входов, для которого выходной сигнал находится в противофазе.

В качестве усилителей могут применяться интегральные усилители постоянного тока и операционные усилители. Пример выполнения схемы избирательного усилителя на ОУ показан на рис. 2.59. Помимо частотно-зависимой отрицательной обратной связи, осуществляемой по инвертирующему входу, в схему включена вещественная отрицательная обратная связь (резистор R_ос), обеспечивающая получение требуемого коэффициента усиления усилителя. При этом К_Um= 1 + R_ос / R₁.

Дата добавления: 2016-04-02 ; просмотров: 7619 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Источник

Избирательные RC- усилители

Для работы в диапазоне частот от долей герца до сотен килогерц широко применяются избирательные усилители, построенные на операционных усилителях, охваченных частотно-избирательной отрицательной обратной связью с применением RC-цепей. Такие избирательные усилители отличаются малыми габаритами, технологичностью изготовления и высокой надежностью.

Рассмотрим принцип построения RC-усилителя с применпнием частотно-зависимой ООС. Коэффициент усиления такого усиления, как известно, равен:

(7.1)

Откуда следует, что для обеспечения крутого спада АЧХ при отклонении частоты от квази-резонансной f₀, коэффициент передачи цепи ООС должен возрастать при отклонении частоты сигнола от f₀. Другими словами, АЧХ цепи ООС должна иметь минимум на частоте f₀. При этом влияние ООС на частоте f₀ будет наименьшим, а на всех остальных частотах глубина ООС возрастает, что приводит к снижению коэффициента усиления усилителя.

Схема избирательного усилителя с 2Т-мостом и его АЧХ показаны на рисунке 7.2, а и б соответственно.

Рисунок 7.2.- Избирательный усилитель с 2Т-мостом

При подборе элементов 2Т-моста, включенного в цепь ООС, указанном на рисунке 7.2,а его коэффициент передачи на частоте f₀ будет минимальным, при этом добротность моста максимальна и равна:

а квазирезонансная частота равна

В схеме усилителя частотно-независимая ООС, созданная резисторами R1 и R2, служит для задания требуемого коэффициента усиления на частоте f₀, т.е. при разомкнутой петле частотно-зависимой ООС:

Добротность усилителя превышает добротность 2Т-моста в К₀ раз и равна .

Таким образом, за счет высокого коэффициента усиления К₀ можно добиться высокой добротности избирательного усилителя, несмотря на низкую добротность 2Т-моста.

Для построения избирательных RC-усилителей с положительной ОС применяются цепи, имеющие максимум коэффициента передачи β и нулевой фазовый сдвиг φ_β на частоте квазирезонанса . Наиболее широкое распространение в избирательных усилителях с ПОС получил мост Вина с максимальным значением коэффициента передачи β, равным 1/3; и Q =1/3.

Схема RC— усилителя с мостом Вина и его частотные характеристики приведены на рисунке 7.3, а и б.

Рисунок 7.3.- Усилитель с мостом Вина (а) и его частотные характеристики (б).

Произведем оценку избирательных свойств усилителя с мостом Вина. Пусть К=2.999.

Для усилителей с ПОС

А на частотах f=2f₀ или f=0.5f₀ Таким образом, при отклонении частоты от квазирезонансного значения в два раза наблюдается изменение коэффициента усиления в 128 раз, т.е. усилитель обладает избирательными свойствами.

Резисторами цепи ООС R2 и R1 задаётся коэффициент передачи усилителя при разомкнутой петле ПОС:

.

Величина зависит от петлевого усиления и при . Для моста Вина β=1/3 и К может быть увеличен до некоторого критического значения, при котором усилитель может перейти в режим генерации колебаний:

АЧХ усилителя повторяет АЧХ моста Вина, но соответствует более высокой добротности:

К достоинствам избирательного усилителя с мостом Вина следует отнести более простую схему и возможность более лёгкой, чем в схеме с 2Т-мостом, перестройки частоты квазирезонанса за счет применения сдвоенных потенциометров или конденсаторов переменной ёмкости.

Недостаток усилителей с мостом Вина обусловлен наличием цепи ПОС, которая вносит нестабильность в режим работы усилителя и при том тем большую, чем выше добротность. При наличии дестабилизирующих факторов (изменение температуры, питающего напряжении и т.п.) усилитель может потерять устойчивость и превратиться в генератор.

Источник