1567

Рассмотрим дифференцирующий усилитель. Он осуществляет дифференцирование входного сигнала по времени. Для этого во входную цепь в качестве элемента цепи обратной связи включается конденсатор, а вторым элементом цепи обратной связи является резистор (рис. 2.33, а).

Рис. 2.33. Дифференцирующий усилитель (а); дифференцирующая цепь RC (б); эквивалентная схема дифференцирующего усилителя (в)

Будем считать, что операционный усилитель является идеальным. Тогда коэффициент усиления K = Uвых/U0 = ∞ и входное сопротивление Zвх = ∞. Поэтому u0 = 0, iвх =0. Для идеального операционного усилителя имеем следующие выражения:

где τ = R2C1 – постоянная времени цепи обратной связи.

Таким образом, напряжение на выходе дифференциального усилителя пропорционально производной по времени от входного напряжения.

Операцию дифференцирования может осуществлять цепь RC, состоящая из последовательно включенных резистора и конденсатора (см. рис. 2.33, б). Можно показать, что реальный дифференцирующий усилитель, обладающий конечным коэффициентом усиления K, эквивалентен цепи RC с конденсатором С и резистором R' = R/K, напряжение с которого усиливается в K раз (см. рис. 2.33, в).

Рассмотрим интегрирующий усилитель. Он осуществляет интегрирование входного сигнала во времени. Для этого между входом и выходом в качестве элемента цепи обратной связи включается конденсатор, а вторым элементом цепи обратной связи является резистор (рис. 2.34, а).

91

Тогда резонансная частота такого избирательного усилителя

fрез 2 1 C .

R

Рис. 2.35. Избирательный усилитель с Т-образным RC-фильтром (а); зависимость коэффициента передачи Т-образного RC-фильтра (б) и коэффициента усиления избирательного усилителя (в) от частоты

Избирательные свойства усилителя объясняются тем, что на резонансной частоте сопротивление Т-образного RC-фильтра максимально и, следовательно, напряжение обратной связи uос, действующее на резисторе R1, минимально. При этом uвых максимально. При частотной расстройке сопротивление Т-образного RC-фильтра уменьшается, вследствие чего возрастает напряжение обратной связи и уменьшается uвых. Зависимости коэффициента передачи Т-образного RC-фильтра β = Uос/Uвых и коэффициента усиления Kос = Uвых/Uвх избирательного усилителя от частоты входного сигнала приведены на рис. 2.35, б, в.

Вопросы для самоконтроля

1.Каковы основные характеристики и параметры электронных усили-

телей?

2.Охарактеризуйте режим работы усилителя класса А.

3.Каково назначение элементов схемы резисторного усилителя напряжения с фиксированным напряжением базы?

93

4.Каков принцип действия резисторного усилителя напряжения на биполярном транзисторе с учетом временных графиков напряжений и тока

вусилителе?

5.Каким образом можно расширить АЧХ резисторного усилителя напряжения?

6.Укажите назначение цепей коррекции в широкополосном усилителе напряжения.

7.При каком условии усилитель с положительной обратной связью превращается в автогенератор?

8.Перечислите свойства усилителя с отрицательной обратной связью.

9.Как работает цепь обратной связи в резисторном усилителе с эмиттерной стабилизацией рабочей точки?

10.Каков принцип действия и основные параметры эмиттерного повторителя?

11.Как построена схема фазоинверсного каскада с разделенной нагрузкой?

12.Каков принцип действия парафазного усилительного каскада?

13.Каково построение схемы и АЧХ резонансного усилителя напряже-

ния?

14.Каковы особенности схемы и достоинства резонансного каскадного усилителя?

15.Что такое дрейф нуля в УПТ?

16.Каков принцип действия и достоинство дифференциального уси-

лителя?

17.Объясните условное обозначение операционного усилителя.

18.Какова типовая схема включения операционного усилителя?

19.Объясните состав элементов цепи отрицательной обратной связи суммирующего, дифференцирующего, интегрирующего и избирательного операционных усилителей.

94

3. ЭЛЕКТРОННЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ ГАРМОНИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ

3.1. Общие сведения о генераторах гармонических высокочастотных колебаний

Генераторами гармонических высокочастотных колебаний называют устройства, которые преобразуют энергию источника постоянного напряжения в энергию гармонических колебаний высокой частоты.

Различают два вида генераторов гармонических высокочастотных колебаний: генераторы с внешним, или независимым, возбуждением и генераторы с самовозбуждением (автогенераторы).

Генератор с внешним возбуждением представляет собой резонансный усилитель мощности высокочастотных колебаний. На вход такого генератора подаются возбуждающие гармонические колебания малой мощности, полученные в другом устройстве. Генераторы с внешним возбуждением широко применяются в радиопередающих устройствах в качестве буферных и выходных каскадов, умножителей частоты.

Генератор с самовозбуждением не требует для работы внешнего возбуждающего напряжения. В этих устройствах при выполнении определенных условий гармонические высокочастотные колебания возбуждаются автоматически. Автогенераторы используются в радиопередающих устройствах в качестве задающих автогенераторов, в радиоприемных устройствах в качестве гетеродинов.

В генераторах гармонических высокочастотных колебаний применяются мощные высокочастотные транзисторы. Большинство таких транзисторов – биполярные кремниевые типа n–p–n и полевые. Следует отметить, что напряжения источников питания для транзистора типа n–p–n по сравнению с соответствующими напряжениями для транзистора типа p–n–p имеют другую полярность.

Автогенераторы в зависимости от вида элементов, входящих в звенья обратной связи подразделяются на LC–автогенераторы (высокочастотные) и RC–автогенераторы (низкочастотные).

3.2.Генератор гармонических высокочастотных колебаний

снезависимым возбуждением

(резонансный усилитель мощности высокой частоты)

Генератор гармонических высокочастотных колебаний с независимым возбуждением представляет собой каскад, у которого в качестве коллекторной нагрузки включен параллельный колебательный контур, что позволяет назвать его резонансным усилителем мощности.

95

На рис. 3.1, а изображена простейшая схема этого генератора. Источники э.д.с. Еб и Ек обеспечивают выбор режима покоя транзистора. Как будет видно далее, рабочая точка в генераторах гармонических высокочастотных колебаний выбирается вблизи начала динамической входной характеристики, и генератор работает в режиме с отсечкой коллекторного тока. Пусть рабочая точка соответствует режиму класса В (точка А на рис. 3.1, б). Тогда при подаче на вход схемы гармонического высокочастотного напряжения uвх = Uвх mcоsω0t коллекторный ток приобретает форму периодической последовательности косинусоидальных импульсов с углом отсечки Θ = 90о (см. рис. 3.1, в). При этом током I'к0 пренебрегаем. Такая последовательность импульсов может быть представлена рядом Фурье:

Iк (t) = Iк.ср + Iк m1cosω0t + Iк m2cos2ω0t + Iк m3cos3ω0t + · · ·

Постоянная составляющая тока коллектора и амплитуды гармонических составляющих пропорциональны амплитуде импульсов тока коллектора Iк m:

Iк.ср = α0 Iк m; Iк m1 = α1 Iк m; Iк m2 = α2 Iк m · · · Iк mn = αn Iк m,

где α0, α1, α2, … αn – коэффициенты разложения ряда Фурье. Величины этих коэффициентов зависят от угла отсечки Θ и могут быть вычислены по следующим формулам:

Рис. 3.1. Генератор гармонических высокочастотных колебаний с независимым возбуждением:

а – простейшая схема; б – положение рабочей точки; в – коллекторный ток

96

На рис. 3.2, а приведены зависимости α0, α1, α2, а также отношения α1/α0 от угла отсечки Θ.

Рис. 3.2. Зависимость коэффициентов разложения ряда Фурье от угла отсечки (а); временные графики токов и напряжения

в цепях генератора с внешним возбуждением (током коллектора I'к0 пренебрегаем) (б)

Если параллельный контур настроен на частоту возбуждающего напряжения (ω0 = ωрез), то на нем создается практически только падение напряжения от первой гармоники коллекторного тока

uкон = Iк1 Rк.рез = Iк m1cos ω0t · Rк.рез = Uкон mcos ω0t.

Для постоянной составляющей и остальных гармоник контур обладает очень малым сопротивлением. Напряжение на коллекторе транзистора

uк = Eк–Uкон mcos ω0t. На рис. 3.2, б изображены токи и напряжения в цепях генератора с внешним возбуждением. В контуре, являющемся нагрузкой

генератора, выделяется колебательная (генерируемая) мощность P1=0,5Iк m1Uкон m=0,5α1Iк mUкон m. Мощность, отдаваемая источником коллек-

торного напряжения, P0 = Iк. срЕк. Тогда кпд η = P1/P0 = 0,5ξα1/α0, где ξ = Uконm/срЕк – коэффициент использования коллекторного напряжения.

Как видно из рис. 3.2, а, для повышения кпд генератора необходимо уменьшить угол отсечки. Однако при очень малых Θ снижается величина коэффициента α1 и, следовательно, величина колебательной мощности P1. Угол отсечки выбирают в пределах от 60 до 90о, чтобы получить высокий

97

кпд при достаточно большой колебательной мощности. Углу Θ < 90о соответствует режим С.

В случае удвоения частоты контур настраивается на вторую гармонику тока коллектора и максимальная мощность (см. рис. 3.2, а) получается при угле отсечки Θ = 60о.

Рассмотрим схемы питания цепей генератора гармонических высокочастотных колебаний.

Различают две схемы питания коллекторной цепи – последовательную (рис. 3.3, а) и параллельную (см. рис. 3.3, б).

Рис. 3.3. Последовательная (а) и параллельная (б) схемы питания коллекторной цепи генератора гармонических высокочастотных колебаний

При последовательном питании источник эдс Ек, транзистор и контур включены последовательно, а при параллельном питании – параллельно. В схемах предусмотрены элементы блокировки: дроссель Iбл, обладающий большим сопротивлением для переменного тока коллектора Iк ~, и конденсатор Сбл, обладающий малым сопротивлением для тока Iк ~. Эти элементы блокируют источник эдс Ек от протекания по нему переменного коллекторного тока. В противном случае ток Iк ~ будет создавать на сопротивлении источника переменное напряжение, что нежелательно, так как может привести к неустойчивой работе других устройств, питаемых от этого же источника. Как видно из рис. 3.3, а, б, переменный коллекторный ток проходит через транзистор, контур и блокировочный конденсатор, минуя источник эдс Ек. Последовательная схема питания коллекторной цепи имеет следующие недостатки: 1) контур находится под постоянным напряжением относительно земли (или корпуса), и напряжение Ек опасно для человека, настраивающего контур; 2) при изменении емкости конденсатора рука оператора может заметно влиять на частоту настройки контура. В параллельной схеме первый недостаток устраняется тем, что

98

постоянный ток коллектора в схеме через контур не проходит. Из параллельной схемы видно, что в схеме ротор контурного конденсатора заземлен (нижняя пластина).

В цепи базы дополнительный источник Еб, как правило, отсутствует. Необходимое напряжение смещения Uб0, определяющее рабочую точку в режимах классов В, АВ, создается теми же способами, что и в усилителях (см. рис. 2.4, а, б). Рассмотрим, каким образом создается напряжение Uб0, определяющее рабочую точку в режиме класса С.

Подобно коллекторной цепи, различают две основные схемы питания базовой цепи генератора: последовательную (рис. 3.4, а) и параллельную (см. рис. 3.4, б). Напряжение смещения получается за счет энергии источника возбуждения. В цепь базы включается цепочка смещения, которая состоит из резистора Rб и конденсатора Сб. В последовательной схеме резистор Rб включен последовательно с участком база – эмиттер, в параллельной схеме – параллельно.

Принцип действия схем одинаков. Когда входное напряжение положительно и больше по модулю отрицательного напряжения конденсатора uсб, транзистор открыт и часть тока базы заряжает конденсатор Сб (см. рис. 3.4, а, б). При этом напряжение на конденсаторе увеличивается. В остальные моменты времени транзистор закрыт и конденсатор частично разряжается через резистор Rб. Как видно из рис. 3.4, в, отрицательное напряжение на конденсаторе оказывается по форме близким к постоянному. Это и есть напряжение смещения Uб0. Параллельная схема несколько хуже, что объясняется шунтирующим действием резистора Rб на источник возбуждения. Для уменьшения этого недостатка часто последовательно с резистором Rб включается дроссель Lб.

Рис. 3.4. Последовательная (а) и параллельная (б) схемы питания базовой цепи генератора гармонических высокочастотных колебаний; временные графики напряжений, действующих в схемах (в)

99

3.3. LC–автогенератор гармонических высокочастотных колебаний с самовозбуждением

Генератор гармонических высокочастотных колебаний с самовозбуждением представляет собой резонансный усилитель мощности с цепью положительной обратной связи. Автогенератор работает в режиме с отсечкой коллекторного тока. При этом угол отсечки выбирается в пределах от 60 до 90о для получения высокого кпд при достаточно большой колебательной мощности. Схемы питания цепей автогенератора аналогичны схемам питания цепей генератора с независимым возбуждением. Возникающие в контуре автогенератора при включении источника питания колебания поддерживаются незатухающими за счет подачи части напряжения с контура через цепь обратной связи на вход схемы. Напряжение обратной связи или напряжение возбуждения транзисторного автогенератора Uб вызывает коллекторный ток, первая гармоника которого, протекая через контур, компенсирует в нем потери энергии.

Автогенератор самовозбуждается при выполнении двух условий самовозбуждения: условия баланса амплитуд и условия баланса фаз. Как следует из материала п. 2.6.1, усилитель с положительной обратной связью превращается в автогенератор, если K · β = 1 (условие баланса амплитуд) и φк + φβ = 0 (условие баланса фаз), где K и β – модули коэффициентов усиления и обратной связи; φк, φβ – фазовые сдвиги входных и выходных напряжений соответственно усилителя и цепи обратной связи.

Условия самовозбуждения генератора удобно исследовать с помощью колебательной характеристики и линии обратной связи. Колебательной характеристикой называют зависимость амплитуды первой гармоники коллекторного тока Iк m1 от амплитуды напряжения возбуждения Uб m (транзисторный автогенератор). Линия обратной связи определяет зависимость амплитуды напряжения возбуждения Uб m, поступающего по цепи обратной связи, от амплитуды первой гармоники коллекторного тока Iк m1. Колебательные характеристики, полученные при различных смещениях на базе, имеют различный вид.

На рис. 3.5, а, б показаны колебательные характеристики, соответствующие режимам с углом отсечки Θ ≥ 90о и углом отсечки Θ < 90о. Колебательную характеристику и линию обратной связи строят на одном графике и по их взаимному положению судят о режиме самовозбуждения генератора. Если колебательная характеристика идет выше линии обратной связи, то выполняется условие K · β > 1, что соответствует увеличению амплитуды возникших колебаний вследствие действия положительной обратной связи. Точки пересечения соответствуют установившемуся режиму автогенератора, когда K · β = 1. В остальных случаях возникшие колебания срываются. Возможны два режима самовозбуждения: мягкий и жесткий. При мягком режиме (Θ ≥ 90о, см. рис. 3.5, а) в момент включения источника

100