5.4. Резонансні підсилювачі

Ці підсилювачі найчастіше використовуються для виділення та підсилення радіочастотних сигналів. Це — суто вузькосмугові вибірні підсилювачі, основними параметрами яких є максимальний коефіцієнт підсилення , частота максимального

Рис. 5.11. Принципові схеми резонансних підсилювачів, побудованих на одиночному

(а) і зв'язаних (б) контурах, та їх еквівалентна схема (в)

підсилення , смуга пропускання і вибірність, що визначається крутістю схилів АЧХ, або її коефіцієнтом прямокутності. В колі навантаження такого підсилювача є резонансний фільтр у вигляді коливального контуру чи системи коливальних контурів. Такий підсилювач називається підсилювачем із зосередженою селекцією (рис. 5.11).

Між вимогами до коефіцієнта прямокутності та ширини смуги пропускання підсилювача існує протиріччя, яке не завжди можна вирішити за допомогою схем зосередженої селекції. Тому в багатокаскадних резонансних підсилювачах з розосередженою селекцією сигналів застосовується взаємне розстроювання контурів (рис. 5.12). Залежно від кількості каскадів такі підсилювачі називаються підсилювачами на розстроєних парах і розстроєних трійках контурів. Принцип збільшення вибірності при збереженні широкої смуги пропускання і достатній рівномірності вершини АЧХ багатокаскадного підсилювача полягає в тому, що загальне їх рівняння визначається як добуток рівнянь характеристик окремих каскадів. Здобутий ефект для випадку розстроєних пар контурів при критичному їх розстроюванні ілюструє рис. 5.12, б.

Існують також вибірні підсилювачі з резонансними системами на п’єзокварцових, магнітострикційних та інших фільтрах. Властивості резонансних підсилювачів значною мірою залежать від типу резонансної системи і способів її зв'язку з навантаженням та електронним приладом.

Рис. 5.12. Приклад резонансного двокаскадного підсилювача на розстроєних парах

контурів (а) та ілюстрація принципу формування його АЧХ (б)

Підсилювачі з одиночним коливальним контуром використовують переважно тоді, коли треба змінювати резонансну частоту, для чого застосовується конденсатор змінної ємності. Згідно з (4.27) при цьому змінюється хвильовий опір, а разом з ним усі еквівалентні параметри коливального контуру, в тому числі коефіцієнт передачі.

Вихідний опір транзистора і навантаження наступних елементів схеми суттєво впливають на вибірні властивості резонансного фільтра, його еквівалентну добротність та резонансний опір. Тому в резонансних підсилювачах завжди застосовують неповне вмикання коливального контуру з обох боків, як показано на рис. 5.11, а, б. Коефіцієнт підсилення такого каскаду на резонансній частоті визначається виразом

, (5.13)

де і — коефіцієнти вмикання контуру з боку його входу та виходу; —провідність прямої передачі транзистора; — еквівалентний резонансний опір контуру

У підсилювачах із зосередженою вибірністю на парі зв'язаних контурів суттєвим є забезпечення однакових еквівалентних добротностей в обох контурах і критичного рівня зв'язку між ними. За цих умов форма резонансної характеристики підсилювача наближається до ідеальної, а коефіцієнт підсилення

. (5.14)

Підсилювачі з розосередженою вибірністю та взаємно розстроєними контурами простіші в налагодженні й експлуатації, ніж двоконтурні,а за вибірними властивостями вони їм ідентичні, якщо фактор зв'язку і параметр розстроювання однакові. Коли фактор розстроювання дорівнює одиниці, його називають критичним, а форма резонансної характеристики в цьому разі наближається до ідеальної. Коефіцієнт підсилення такого підсилювача

. (5.15)

Коефіцієнт прямокутності АЧХ в обох розглянутих випадках визначається виразом

(5.16)

і наближається до максимально можливого значення .

При побудові високочастотних резонансних підсилювачів треба враховувати внутрішній ЗЗ у транзисторі (параметр ), а також паразитні ЗЗ, що неминуче виникають у схемі. Фази сигналів у колах цих зв'язків можуть непередбачено змінюватись; тому стійкість роботи підсилювача може порушуватись, зумовлюючи його самозбудження. Для усунення самозбудження в схеми підсилювачів уводять елементи компенсації внутрішнього ЗЗ, але це ускладнює їх. Виходом із цього становища на високих і надвисоких частотах є застосування замість транзисторів тунельних діодів.

Як випливає з (3.8), якщо положення РТ вибрати на спадній ділянці ВАХ, то тунельний діод матиме негативний диференціальний опір – . Ця його властивість використовується для створення підсилювачів надвисоких частот із відносно низьким рівнем власного шуму.

На рис. 5.13, а зображено спрощену еквівалентну, а на рис. 5.13, б спрощену принципову схеми підсилювача на тунельному діоді. Уявімо собі, що замиканням вимикача вилучено зі схеми опір ; тоді за умови в навантаження передається максимальна потужність

. (5.17)

Якщо розімкнути , то потужність у навантаженні

. (5.18)

За умови маємо

, (5.19)

тобто завдяки тунельному діоду потужність у навантаженні зростає в чотири рази.

Рис. 5.13. Спрощені еквівалентна (а) і принципова (б) схеми підсилювача на

тунельному діоді та ВАХ, що ілюструють його роботу (в)

Проаналізуємо роботу послідовного підсилювача на тунельному діоді ( та ввімкнено послідовно) за допомогою ВАХ (рис. 5.13, в). При послідовному з'єднанні опори додаються. Тому ВАХ навантаження (пряма лінія 1) і тунельного діода (крива лінія 2)

додаються шляхом додавання напруг, що відповідають одному й тому самому струмові. Будуємо сумарну ВАХ схеми 3. РТ вибрано в середині спадної сумарної ВАХ. Як бачимо, малим змінам вхідної напруги відповідають значні зміни струму в колі і напруги на навантаженні.

На принциповій схемі (див. рис. 5.13, б) коливальний контур утворюють котушка та ємність діода . Джерело живлення разом з резисторами й визначають положення РТ за постійним струмом, а дросель , блокує джерело живлення від змінного струму.

Сучасні підсилювачі на тунельних діодах працюють на частотах до десятків гігагерців.

Резонансні підсилювачі некритичні до нелінійних спотворень, тому їх можна використовувати при різних рівнях вхідного сигналу з РТ на лінійній або нелінійній ділянках ВАХ.

Якщо амплітуду сигналу на вході резонансного підсилювача збільшувати так, що вона виходить за межі лінійної ділянки ВАХ, то спочатку форма колекторного струму в транзисторі спотворюється, а при подальшому збільшенні напруги сигналу на вході транзистор переходить у режим роботи з відсіканням колекторного струму. Таким чином,

Рис. 5.14. Діаграми, що ілюструють роботу резонансного підсилювача в нелінійному

режимі (а), і графіки функції α (б)

струм через транзистор проходить лише впродовж частини періоду і перетворюється на періодичну послідовність імпульсів, форма яких (і час проходження струму) залежить від кута відсікання струму (рис. 5.14, а). Цей кут відповідає половині тієї частини періоду, протягом якої в колі проходить струм, і може набувати значень від 0 до . Якщо 90°< <180°, то режим роботи транзистора називають недонапруженим, якщо < 90° —перенапруженим, а при = 90° — критичним.

Періодична послідовність імпульсів струму може бути подана у вигляді ряду Фур'є, амплітудні значення складових якого залежать від та максимального значення імпульсів колекторного струму:

(5.20)

де α₀, α₁,…, α_n — коефіцієнти розвинення (коефіцієнти гармонік Бер-га), залежність яких від θ зображено на рис. 5.14, б.

Коливальний контур як резонансну систему настроюють на одну з частот, частіше — на частоту першої гармоніки, а тому форма напруги на ньому залишається синусоїдною. Форма напруги тим точніше відповідає синусоїді, чим вище вибірні властивості контуру. Амплітудне значення напруги першої гармоніки на контурі

(5.21)

Нелінійний режим роботи резонансних підсилювачів використовують у підсилювачах обмежувачах амплітуди (наприклад для усунення паразитної АМ), в радіопередавачах для підсилення потужності як найбільш економічний, а також для множення частоти настроюванням контуру на одну з вищих гармонік струму. Крім того, цей режим застосовується при роботі автогенераторів, побудованих на основі резонансних підсилювачів.