3.4. Резонансный усилитель

Схема резонансного усилителя на полевом транзисторе показана на рис.17. Нагрузкой каскада является параллельныйLC контур. Следует иметь в виду, что параллельно контуру включены также паразитные емкостиС_си+С_м+С_н(С_н– паразитная емкость нагрузки). Поэтому общая емкость контура равнаС^=С+ С_си+С_м+С_н. Импеданс контураZимеет максимум на резонансной частотеf₀. На рис.18 изображены резонансные кривые двух контуров, имеющих различные добротностиQ. На резонансной частоте сопротивление контура является чисто активным. Поскольку усиление каскада тем больше, чем больше сопротивление его нагрузки, то частотная характеристика резонансного усилителя повторяет форму резонансной кривой контура (рис.6а).

4. Отрицательная обратная связь в усилителях

Качественные показатели усилителя улучшаются, если в нем применена отрицательная обратная связь (ООС). В этом случае на затвор транзистора одновременно с входным напряжением подается часть выходного напряжения (напряжение обратной связи), фаза которого на средних частотах противоположна фазе входного напряжения.

Напряжение обратной связи бывает пропорционально либо выходному напряжению, либо выходному току. Реже встречается комбинированный вид обратной связи. В зависимости от способа подачи напряжения обратной связи на вход усилителя различают последовательную и параллельную обратную связь. Перечисленные варианты схем отрицательной обратной связи приведены на рис.19.

В результате применения ООС происходит значительное уменьшение нелинейных искажений, частотных и фазовых искажений. Может быть увеличено входное и уменьшенно выходное сопротивление усилителя. Недостатком является уменьшение коэффициента усиления, так как напряжение на затворе U_зименьше входного напряжения U_вх. Кроме того, в усилителях с отрицательной обратной связью, охватывающей несколько каскадов, может произойти самовозбуждение. Поэтому в редких случаях отрицательной обратной связью охватывают более двух каскадов.

Из схем, приведенных на рис.19, наибольшее распространение получила схема с последовательной обратной связью по напряжению (рис.19а). В ней наиболее удачно сочетаются все положительные свойства отрицательной обратной связи. В этой схеме напряжение обратной связи получается при помощи делителя, составленного из сопротивлений R₁ иR₂, суммарная величина которых значительно больше сопротивленияR_н. Напряжение обратной связиU_подается на вход усилителя в противофазе с входным напряжением так, чтоU_зи=U_вхU_. Напряжение обратной связи составляет некоторую часть выходного напряженияU_=U_вых, где– коэффициент обратной связи. В рассматриваемой схеме. Учитывая, чтоU_вых=К_UU_зи(К_U – коэффициент усиления по напряжению усилителя без ООС) получим, чтоU_=К_UU_зи. ОтсюдаU_зи=U_вхК_UU_зилиU_вх=U_зи(1+К_U).

–это коэффициент усиления усилителя с отрицательной обратной связью. Он в (1+К_U) раз меньше коэффициента усиления усилителя без обратной связи.

5. Усилитель с общим стоком

Принципиальная схема усилительного каскада с общим стоком (ОС) –стокового повторителя–приведена на рис.20а, а его эквивалентная схема–на рис.20б.

Рассмотрим основные свойства каскада с истоковой нагрузкой на средних частотах. Из рис.20а видно, что в любой момент времениU_зи=U_вхU_вых. При подаче на затвор полевого транзистора положительного напряжения стоковый токI_сувеличивается, а следовательно, увеличивается падение напряжения на сопротивленииR_и, которое является выходным напряжениемU_вых=I_сR_и. При уменьшении напряжения на входе транзистора выходное напряжение уменьшается. Таким образом, выходное напряжение каскада с общим стоком находится в фазе с входным напряжением. Ток стока полевого транзистора управляется напряжением затвор – истокU_зи. НапряжениеU_зискладывается из напряженияU_вхиU_выхтак, как это показано на рис.21. Таким образом, в каскаде с истоковой нагрузкой имеется стопроцентная отрицательная обратная связь по напряжению. Все выходное напряжение является напряжением обратной связиU_=U_выхи=1. Формула для коэффициента усиления по напряжению принимает следующий вид:, гдеК_U– коэффициент усиления усилителя без обратной связи. Он равенК=S_dR_и, следовательно, на средних частотах, гдеS_d– динамическая крутизна полевого транзистора. Таким образом, коэффициент усиления по напряжению каскада с общим истоком всегда меньше единицы и приближается к единице с увеличением произведенияS_dR_и. Каскад с истоковой нагрузкой, у которого коэффициент усиления близок к единице, часто называют истоковым повторителем, так как напряжение на его выходе по величине и фазе повторяет напряжение на входе.

Усилитель с истоковой нагрузкой имеет большой коэффициент усиления по току, так как ток стока, являющийся выходным, значительно превосходит ток затвора, который является входным. В соответствии с этим коэффициент усиления по мощности каскада с ОИ является также большим.

Усилитель с общим стоком (истоковой нагрузкой) имеет более высокое входное сопротивление и более низкое выходное сопротивление по сравнению с каскадом с общим истоком. Можно показать, что при 1и оказывается порядка сотен Ом.

Входное сопротивление у каскада с ОИ значительно больше, чем у каскада с ОС. В схеме с ОС все напряжение U_вхприкладывается ко входу полевого транзистора и напряжениеU_зи=U_вх. В схеме с ОС напряжениеU_зи=U_вхU_вых(с учетом фазы). Поэтому для одного и того же полевого транзистора при одинаковых входных напряжениях входной ток в схеме с ОС значительно меньше, чем в схеме с ОИ. Так какR_вх=U_вх/I_вх, иI_вх,ОИ I_вх,ОС, тоR_вх,ОСR_вх,ОИ.

Истоковый повторитель обладает более широкой полосой пропускания по сравнению с усилителем с ОС в области верхних частот. Как уже было сказано выше, снижение усиления на верхних частотах происходит вследствие шунтирования сопротивления нагрузки паразитными емкостями. Поскольку в усилителях с ОИ и ОС паразитные емкости примерно одинаковы, а выходное сопротивление усилителя с ОС значительно меньше, чем усилителя с ОИ, то и шунтирующее действие выходного сопротивления усилителя с ОС происходит на значительно больших частотах, чем для усилителя с ОИ.