Низкочастотные избирательные усилители

В качестве RC-фильтров в избирательных усилителях могут использоваться различные RC-цепи, у которых коэффициент передачи β = U_ОС / U_вых, β ≈ 0 в диапазоне полосы пропускания от f_н до f_в.

Широкое применение в этих усилителях нашел двойной Т-образный мост. Схема избирательно усилителя с двойным Т-образным мостом в цепи отрицательной обратной связи изображена на рисунке 53.

U_вх

U_вых

U_вых

U_ОС

R

R

R

R

R/2

R/2

C

C

C

C

2C

2C

Рисунок 53 – Принципиальная электрическая схема

низкочастотного избирательного усилителя

На квазирезонансной частоте f₀ = 1 / RC β = 0, так как на этой частоте каждый из одинарных Т-образных мостов имеет равные по модулю и противоположные по фазе коэффициенты передачи β и их выходные токи взаимно компенсируются, так что U_OC = 0.

Коэффициент усиления избирательного контура с двойным Т-образным мостом в цепи обратной связи выражается через параметры усилителя и цепи

обратной связи:

Используя предыдущие рассуждения, можно сказать, что при f = 0 и f = ∞, когда β → 1,

а на квазирезонансной частоте (β = 0) K_OC = K >> 1.

Избирательные усилители с двойным Т-образным мостом в цепи обратной связи хорошо работают на квазирезонансных частотах от единиц герц до нескольких мегагерц. Их избирательные свойства зависят от коэффициента усиления K_U: чем больше этот коэффициент, тем лучше усиливается полезный сигнал по сравнению с очень низкими и очень высокими частотами.

Генераторы гармонических колебаний

Генератором гармонических колебаний (ГГК) называют устройство, преобразующее энергию источника постоянного тока в энергию электромагнитных колебаний синусоидальной формы требуемой частоты и мощности. ГГК являются одной из составных частей измерительных приборов и автоматических систем.

Электронные генераторы гармонических колебаний классифицируются по ряду признаков, основными из которых являются частота и способ возбуждения. В зависимости от частоты генераторы подразделяют на:

– низкочастотные (0,01 / 100 кГц);

– высокочастотные (0,1 / 100 МГц);

– сверхвысокочастотные (свыше 100 МГц).

По способу возбуждения различают:

– генераторы с независимым возбуждением; такими генераторами являются усилители мощности с соответствующим частотным диапазоном;

– автогенераторы или генераторы с самовозбуждением.

Рассмотрим структурную схему автогенератора, которая состоит из усилителя

с коэффициентом усиления К и звена положительной обратной связи с коэффициентом передачи β (рисунок 54).

Рисунок 54 – Структурная схема

автогенератора

Коэффициент усиления K и коэффициент передачи звена обратной связи β приняты комплексными, т. е. учитывается их зависимость от частоты. В качестве усилителя в автогене-раторах могут применяться различные усилители: на транзисторах, на интегральных микросхемах и т. д.

Звеном обратной связи являются частотно-зависимые цепи: LC-контуры и RC-четырехполюсники. Входным сигналом для усиления является часть его выходного напряжения, передаваемого звеном положительной обратной связи.

Стационарный устойчивый режим в автогенераторе, при котором амплитуды входных и выходных напряжений имеют неизменные значения, будет возможен при выполнении условия, называемого условием самовозбуждения:

К · β= 1,

которое следует из соотношений:

U_вх = β · U_вых,

U_вых = K · U_вх.

Тогда U_вых = β · K · U_вых.

Условие самовозбуждения можно представить в виде:

|K| · e^iφ · |β| · e^iψ = 1,

где |K|, |β| – модули коэффициентов усиления и передачи соответственно;

φ , ψ – аргументы этих коэффициентов.

Это равенство выполняется при условиях:

|К| · |β| = 1 – условие баланса амплитуд;

φ + ψ = 2πn – условие баланса фаз,

где n = 0, 1, 2, 3, …;

φ – фазовый сдвиг выходного напряжения усилителя;

ψ – фазовый сдвиг выходного напряжения звена обратной связи.

Условие баланса фаз означает, что сумма фазовых сдвигов выходных напряжений усилителя и звена обратной связи в автогенераторе равна нулю или целому числу 2π, что свидетельствует о наличии в данном устройстве положительной обратной связи.

Условие баланса амплитуд соответствует тому, что потери энергии в автогенераторе восполняются звеном положительной обратной связи от источника питания автогенератора. Для получения стационарных устойчивых колебаний условие баланса амплитуд должно удовлетворять соотношению: |К| · |β| ≥ 1.

LC-автогенератор

В

Звеном обратной связи является катушка L_C, включенная в стоковою цепь транзистора и индуктивно связанная с катушкой L_К резонансного контура L_КC_К. Первоначально колебания в автогенераторе возникают или из-за флуктуации тока в колебательном контуре, или при подаче напряжения питания.

этом автогенераторе усилитель собран на полевом транзисторе и включен по схеме с общим истоком (рисунок 55).

+E_С

U_вых

M₂

M₁

L_C

L_К

C_К

C_З

R_З

И

З

С

VT

Рисунок 55 – LC-автогенератор

По этим причинам эквивалентное активное сопротивление контура

Появляются слабые колебания с частотой которые при отсутствии положительной обратной связи прекратились бы из-за потерь энергии в контуре. Но при наличии положительной обратной связи этого не происходит, так как появившееся напряжение на контуре усиливается транзистором. Эти колебания через катушку L_С индуктивно связанную с L_К, вновь возвращаются в колебательный контур. Размах колебаний постепенно возрастает, что соответствует условию: |К| · |β| > 1. По мере роста амплитуды напряжения в цепи затвора транзистора из-за нелинейности его амплитудной характеристики (участок ab) коэффициент усиления начинает уменьшаться и |К| · |β| = 1 (рисунок 56).

U_З

U_вых

U_вх

t

|К| · |β| > 1

|К| · |β| = 1

a

b

0

Рисунок 56 – Временная диаграмма

и амплитудная характеристика автогенератора

При этом появляются колебания с постоянной и автоматически поддерживаемой на требуемом уровне амплитудой, что соответствует стационарному режиму работы автогенератора.

В автогенераторах широко применяется автоматическое смещение рабочей точки на характеристиках, которое позволяет выбрать необходимый режим усиления усилителя. На рисунке 57 это осуществляется с помощью звена R_З, C_З для создания положительного смещения относительно истока.

При появлении положительных полуволн напряжения контура через затвор проходит ток i_З, который заряжает С_З. В результате на затворе

появляется отрицательный потенциал относительно истока.

В отрицательный полупериод напряжение контура i_З и C_З разряжается через R_З, поддерживая на затворе отрицательный потенциал.

Если R_З , C_З >> T (период автоколебаний), то C_З не будет успевать заметно разряжаться и напряжение смещения будет постоянным. Выбрав R_З и C_З, мы обеспечим работу автогенератора в требуемом режиме усиления.

Мы с вами рассмотрели схему, в которой LC-контур включен последовательно с транзистором. Этот тип автогенератора имеет существенное преимущество, заключающееся в том, что элементы LC-контура находятся под низким напряжением. Но такой генератор обладает небольшим КПД.

Б

отношению к источнику питания (рисунок 57). При этом элементы LC-контура находятся под более высоким напряжением, чем в рассмотренной схеме. Это приводит к тому, что конденсатор той же емкости надо выбирать большего размера. Чтобы избавиться от этого недостатка LC-контур включают через разделительный конденсатор C_Р параллельно. С_Р не пропускает постоянную составляющую тока в индуктивную катушку L_К.

ольшим КПД и большей мощностью генерируемых колебаний обладает автогенератор, где LC-контур включен параллельно с транзистором по

Рисунок 57 – Генератор

с параллельным питанием

параллельно. С_Р не пропускает постоянную составляющую тока в индуктивную

катушку L_К. Дроссель L_Р предотвращает короткое замыкание контура по

переменной составляющей через источник питания E_С. Такой генератор называется генератором с параллельным питанием.

В LC-генераторах ввиду зависимости L и C колебательного контура и параметров транзистора от температуры наблюдается зависимость от температуры и частоты f. В условиях постоянства температуры нестабильность

частоты вызвана изменениями дифференциальных параметров транзистора в зависимости от изменения положения рабочей точки покоя усилительного каскада, что обусловливает необходимость его стабилизации.

Нестабильность частоты генераторов оценивают коэффициентом относительной нестабильности

δ_f = ∆f / f · 100 %,

где ∆f – абсолютное отклонение частоты от номинального значения f.

Меры, повышающие стабильность частоты:

– увеличение температурной стабилизации выбранного режима покоя усилительных каскадов;

– применение специальных средств, компенсирующих температурные изменения частоты (например, введение в колебательный контур конденсаторов с зависимой от температуры емкостью).

Наибольшая стабильность частоты с коэффициентом δ_f = 10^-3 / 10^-5 % достигается при использовании в генераторах кварцевого резонатора. Высокая стабильность частоты обусловливается тем, что кварцевый резонатор обладает высокой добротностью Q.

Разновидностью такого генератора является трехточечный автогенератор, который бывает двух типов:

– индуктивный трехточечный;

– емкостный трехточечный.

LC-контур в таких автогенераторах включается не двумя точками, как обычно, а тремя, что позволяет снимать сигнал обратной связи непосредственно с резонансного контура.

RC-автогенераторы

Для получения гармонических колебаний низкой частоты (от нескольких сотен килогерц до долей герц) применяют автогенераторы, у которых в качестве звеньев обратной связи используются RC-четырехполюсники. Такие автогенераторы называются RC-автогенераторами. Применение RC-четырехполюсников вызвано тем, что LC-контуры на таких частотах становятся громоздкими, а добротность их не удовлетворяет необходимым требованиям. RC-автогенераторы на низких частотах обладают более высокой стабильностью, имеют меньшие габариты, массу и стоимость, чем LC-автогенераторы.

RC-автогенератор содержит усилитель (одно- или двухкаскадный) и звено обратной связи в виде частотно-зависимой RC-цепи (рисунок 58)

C₁

C_n

R₁

R_n

C₁

C_n

R₁

R_n

Вход

Вход

Выход

Выход

а

C₁

C₂

C₁

R₁

C₂

R₂

Вход

Выход

C₃

R₁

R₂

R₃

Вход

Выход

б

в

Рисунок 58 – Виды звеньев обратной связи:

а – Г-образные RC-цепи; б – мост Вина;

в – двойной Т-образный мост (симметричный и несимметричный)

R

+E_C

Как известно, в однокаскадном усилителе без обратной связи U_вх и U_вых сдвинуты по фазе на 180°,

т. е. если U_вых усилителя подать

на его вход, то получится 100-процентная ООС. Для соблюдения баланса фаз, т. е. для введения положительной обратной связи, U_вых, прежде чем подать его на вход, необходимо сдвинуть на 180°. Так как R_вх усилителя очень большое, а R_вых – очень малое, то фазовый сдвиг на 180° можно осуществить с помощью трех одинаковых RC-звеньев, каждое из которых изменяет фазу на 60°.

C-автогенератор с T-образным RC-звеном обратной связи представляет собой однокаскадный усилитель, охваченный положительной обратной связью (рисунок 59).

C

C

C

C_вых

С

З

R

R

R

R

U_вых

И

Рисунок 59 – RC-автогенератор

с T-образным звеном обратной связи

180°. Так как R_вх усилителя очень большое, а R_вых – очень малое, то фазовый сдвиг на 180° можно осуществить с помощью трех одинаковых RC-звеньев, каждое из которых изменяет фазу на 60°.

Недостатки RC-автогенератора:

– цепь обратной связи сильно шунтирует конденсатор усиления, вследствие чего снижается K_U и нарушается условие баланса амплитуд, т. е. колебания могут быть неустойчивыми;

– генерируемые колебания имеют значительное искажение формы, вызванное тем, что условия самовозбуждения выполняются для гармоник с частотой, близкой к f₀. Это объясняется отсутствием строгой избирательности к основной частоте Г-образных RC-цепей.