книги из ГПНТБ / Бобровников Л.З. Радиотехника и электроника учебник

няются в виде последовательно или параллельно соединенных поло-.

Рис. 96.

совых фильтров. В частности, на рис. 96 приводятся две схемы простейших фильтров на основе LC колебательных контуров и график зависимости К (со) от частоты.

§ 62. Активные фильтры

Недостатком RC фильтров является большое ослабление сигна­ лов (даже в пределах полосы пропускания) и небольшая крутизна спада коэффициента передачи за пределами полосы пропускания. Если в схему фильтра ввести усилительные элементы, то можно не только скомпенсировать ослабление сигнала, но и значительно увеличить крутизну спада.

Это достигается тем, что усилительные элементы создают отри­ цательные сопротивления или преобразуют одно реактивное сопро­ тивление в другое или пассивные элементы включаются в цепи поло­

190

При включении отрицательного сопротивления получалась прин­ ципиально новая частотная характеристика (рис. 97, б)— коэф­ фициент передачи линейно и неограниченно возрастает при увеличе­ нии частоты сигнала.

Определим, что дает применение обратной связи. Для этого проведем анализ схемы рис. 97, в. Для упрощения предположим, что входное сопротивление усилителя очень велико (zB X = оо).

Рис. 97.

Решая эти уравнения, определим коэффициент передачи

Дальнейший анализ проводится в зависимости от величины и знака коэффициента усиления, определяющих вид обратной связи. Если К0 положительно, имеет место положительная связь. При этом интерес представляют устойчивые режимы работы, т. е. когда актив­ ный фильтр не превращается в генератор. Если KQ = l, то и AT (/со) ==

=1 и от частоты не зависит, т. е. фильтр превратился во всепропу-

191

Произошло, во-первых, преобразование положительного сопро­ тивления zl в отрицательное, во-вторых, частотная характеристика стала резонансной; всегда можно так подобрать сопротивления zl и z2, что на заданной частоте разность z2 — zl будет минимальна,

аследовательно, коэффициент передачи будет максимальным. При отрицательной обратной связи наибольший интерес предста­

вляет | — К 0 | - > °о. При этом

чился такой же результат, что и при использовании в фильтре отри­ цательного сопротивления.

Рассмотрим теперь более сложный пример. Пусть имеются два усилителя: неинвертирующий фазу усиливаемого сигнала с коэф­ фициентом усиления по току Kt и инвертирующий с коэффициентом усиления по напряжению К?. Если усилители включены встречнопараллельно (рис. 97, г), то получился устойчивый двунаправлен­ ный усилитель, охваченный частотно-независимой ООС. Проведем

сопротивления нагрузки в отрицательное входное сопротивление. Подобные устройства принято называть конверторами отрицатель­ ного сопротивления (КОС). На основе КОС выполняются разнооб­ разные активные фильтры. Для построения активных фильтров ши­

ное входное сопротивление. Таким образом, гиратор позволяет создавать LC фильтры, располагая только конденсаторами.

Ниже рассматриваются наиболее употребительные в геофизиче­ ской аппаратуре активные фильтры.

192

На рис. 98, а приведена схема активного фильтра нижних частот с положительной обратной связью на основе усилителя с единичным коэффициентом усиления, высоким входным и низким выходным сопротивлениями.

Рис. 99.

Схема полосового активного фильтра на основе двойного Т-образ­ ного моста, включенного в цепь отрицательной обратной связи операционного усилителя, приведена на рис. 98, в

(235)

Полосовые фильтры также выполняются на основе гираторов (рис. 98, г). Эквивалентная схема гираторного полосового фильтра— последовательный LC контур (рис. 98, д), в котором Ьэкв является входным сопротивлением гиратора, нагруженного на выходе на конденсатор С,

где Sr — действующая крутизна характеристики усилителей с уче­ том глубокой отрицательной обратной связи. В реальных схемах Sr — 0,1—0,5 ма/в. Эквивалентная добротность гираторного фильтра

фильтра подобна рассмотренной выше характеристике последова­

может быть выполнен на основе операционного усилителя, неинвертирующего усилителя с единичным усилением и двух двойных Т- образных мостов (рис. 99, б). Дополнительный усилитель в цепи ООС необходим для устранения взаимного влияния мостов.

Упражнения к главе X I V

1.Определите крутизну спада частотной характеристики у одиночного ВС фильтра нижних частот.

2.Во сколько раз должны отличаться частоты двух сигналов одинаковой амплитуды, если требуется их отделить друг от друга с помощью полосовых фильтров типа моста Вина? При этом необходимо подавление мешающего сиг­

нала в 20 раз.

3.Нарисуйте примерную форму напряжения на выходе идеального режек­ торного фильтра, если на его входе действует знакопеременное прямоугольное напряжение, а частота настройки фильтра равна частоте первой гармоники пря­ моугольного напряжения.

4.Определите комплексный коэффициент усиления усилителя с ООС (см.

Глава XV

ГЕНЕРИРОВАНИЕ ПЕРИОДИЧЕСКИ ИЗМЕНЯЮЩИХСЯ НАПРЯЖЕНИЙ

Генерирование периодических напряжений осуществляется с помощью генераторов — устройств, в которых возникают и автома­ тически поддерживаются незатухающие электрические колебания.

Поскольку в любой, даже в самой высококачественной колеба­ тельной системе имеются потери, то возникшие колебания рано

194

или поздно должны затухнуть. Если колебания являются незатуха­ ющими, то потери компенсируются за счет энергии какого-то источ­ ника. Потери в любой колебательной системе могут быть предста­ влены в виде некоторого эквивалентного сопротивления потерь Rn. Если это сопротивление компенсировать отрицательным сопроти­ влением Rn — R_ — 0, то колебания, возбужденные в контуре, будут продолжаться бесконечно долго. Введение в колебательный контур отрицательного сопротивления означает, что в контур вводится энергия, компенсирующая потери. Отрицательное сопро­ тивление можно получить, используя падающий участок на вольтамперной характеристике терморезистора, туннельного диода, дини­ стора, тиристора, двухбазового диода и т. д., а также с помощью положительной обратной связи. Наиболее часто генераторы незату­ хающих колебаний выполняются в виде устройств с положительной обратной связью. При этом в зависимости от глубины положитель­ ной обратной связи и параметров частотозадающего контура генери­ руемые колебания могут быть гармоническими (синусоидальной формы)

ирелаксационными (прямоугольной, импульсной, пилообразной

формы и т. д.).

§ 63. Генераторы гармонических колебаний

Если энергия потерь и энергия, вводимая в колебательный

Для генерирования электрических колебаний на частотах выше нескольких килогерц применяют генераторы с LC колебательными контурами. Генерирование синусоидальных напряжений инфразву­ ковых частот осуществляется с помощью RC генераторов.

LC генераторы обычно выполняются на основе однокаскадных усилителей с колебательным контуром в цепи положительной обрат­ ной связи. Наиболее часто применяются три схемы включения LC контура: трансформаторная (рис. 100, а), емкостная (рис. 100, б), автотрансформаторная (рис. 100, в).

На рис. 100, а приведена схема LC генератора с трансформатор­ ной обратной связью. При подключении источников питания по мере разогрева катода через лампу начинает протекать анодный ток. Вследствие дискретности анодного тока в нем имеется флюктуационная составляющая с равномерным спектром, простирающимся от постоянного тока до чрезвычайно высоких частот. Так как в анод­

из наводимой э. д. с. флюктуации контуром выделяется напряжение с частотой / н . Это напряжение, воздействуя на управляющую сетку, вызывает изменения анодного тока. Но изменения анодного тока наводят в сеточном контуре новую э. д. с , которая, усиливаясь,

снова подается в контур и т. д. Поскольку система охвачена цепью ПОС, ее коэффициент усиления определяется как

характеристик по мере увеличения анодного тока крутизна харак­ теристики, а следовательно, и коэффициент усиления К0 будут

а

Рис. 100.

уменьшаться. Поэтому при некоторой амплитуде колебаний (опре­ деляемой параметрами контура, цепью обратной связи и параме­ трами лампы), при которой энергия потерь и энергия, вводимая в контур, будут равны, дальнейшее увеличение амплитуды прекра­ тится.

Частота генерируемых колебаний

196

Частота колебаний, генерируемых схемой с емкостной обратной связью (рис. 100, б),

Генераторы могут быть выполнены с использованием активных элементов с отрицательным сопротивлением (тиратронов, тиристо­ ров, туннельных диодов, динисторов и т. д.). При этом цепь внешней обратной связи отсутствует, поскольку имеется внутренняя положи­ тельная обратная связь.

Принципиальная схема генератора синусоидальных колебаний, выполненного на туннельном диоде, приведена на рис. 100, г. Роль туннельного диода в генераторе сводится к созданию отрицатель­

мость генерируемой частоты от изменения температуры и режима работы используемых активных элементов: биполярных и полевых транзисторов, ламп и т. д.

В частности, для транзисторной схемы (см. рис. 100, б) частота генерируемых колебаний при более строгом учете параметров тран­ зистора определяется как

При изменении температуры особенно сильно меняются входное сопротивление Ац и выходная проводимость h22 транзистора. Кроме того, изменяются параметры самого LC контура.

197

Стабильность частоты принято выражать в относительных еди­ ницах

термокомпенсации (в том числе и конденсаторы с отрицательным

к появлению электрических зарядов на металли­ зированных обкладках. Таким образом, в кварцевом резонаторе происходит обмен энергии — электрические колебания преобра­ зуются в механические, а механические снова в электрические. Если к обкладкам кварца подведено напряжение на резонансной частоте / р , определяемой геометрическими размерами пластинки и ориентацией среза, то это преобразование происходит с малыми потерями.

держателя и емкость металлических обкладок. Поскольку упругие

ставляет сотые доли пикофарады. Эквивалентная добротность кон­ тура кварцевого резонатора может достигать 106.*

Кварцевые резонаторы обычно используются в генераторах с емкостной обратной связью, где включаются вместо индуктив­ ности. Резонансные частоты кварцевых резонаторов лежат в пре­

198

а при частоте в десятки мегагерц размеры их столь малы, что меха­ ническая прочность оказывается недостаточной.

Врассмотренных LC генераторах можно плавно изменять частоту

в2—3 раза изменением величины емкости контурного конденсатора. Последнее достигается механическим или электрическим способом (если использовать варикапы).

Плавная перестройка частоты изменением индуктивности при­ меняется весьма редко и преимущественно в тех случаях, когда используются катушки индуктивности с ферромагнитными сердеч­ никами. В этом случае плавное изменение индуктивности достигается перемещением сердечника вдоль оси катушки или изменением его

l/scos(cvB-cv,)t

Рис. 102.

магнитной проницаемости (за счет подмагничнвання постоянным током). Изменение частоты настройки может осуществляться и ди­ скретно переключением катушек индуктивности и конденсаторов. Генераторы с периодической перестройкой частоты принято называть ceun-генераторами. Генераторы с плавной перестройкой частоты легко осуществимы на сравнительно высоких частотах — выше нескольких десятков килогерц. На частотах звукового диапазона плавное изменение частоты возможно в пределах нескольких про­ центов.

Генераторы с плавной перестройкой в области звуковых частот могут выполняться по модуляционным схемам и называются генера­ торами на биениях.

Функциональная схема генератора на биениях приводится на рис. 102. В схеме имеется два генератора: кварцованный генератор фиксированной частоты, генерирующий синусоидальное напряжение

стота которого может плавно изменяться в заданных пределах. Напряжение с выходов обоих генераторов подается на перемножа­ ющее устройство, например выполненное в виде нелинейного усили­ теля, в результате чего появляются синусоидальные напряжения

сразными комбинационными частотами, в том числе и с суммарной

иразностной частотой:

199