59

Лабораторная работа №5

“Исследование избирательных усилителей”

Цель работы: исследование работы типовых схем избирательных усилителей, собранных на операционном усилителе. В качестве частотно-зависимых цепей используются: мост Вина, LC-контур и двойной Т-образный мост.

1. Теоретические положения

Избирательными называются усилители, которые обладают способностью усиливать сигналы в определенной (как правило, сравнительно узкой) полосе частот. Такие усилители широко применяются в радиоприемных устройствах, в измерительной технике, в автоматических системах и т.п.

Основной отличительной способностью избирательных устройств является то, что амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) таких устройств имеет вид резонансной кривой (рис. 5.1).

Следовательно, такие устройства способны усиливать сигналы только в строго определенной полосе частот, находящейся вблизи резонансной частоты f₀. Количественно избирательность усилителя оценивается эквивалентной добротностью:

Q_ЭКВ = f₀/Δf,

где Δf = f_В – f_Н.

Чем больше добротность Q_ЭКВ, тем лучше избирательность устройства.

В зависимости от того, в каком диапазоне лежит резонансная частота f₀, различают три основные группы таких устройств:

1) усилители верхних частот (УВЧ) - f₀ больше единиц - десятков МГц;

2) усилители промежуточных частот (УПЧ) - f₀ составляет сотни кГц;

3) квазирезонансные усилители - f₀ около единиц - десятков кГц.

В УВЧ и УПЧ в качестве частотно-зависимых цепей обратной связи (ОС), как правило, используются колебательные контуры (рис.5.2), f₀ которых определяется характеристиками контура:

f₀ = 1/(2π );

Q_К = X_К/r_К ,

г де X_К - реактивное сопротивление колебательного контура; r_К - сопротивление потерь в контуре.

Для высокочастотного диапазона LC-контуры имеют высокую добротность и небольшие массогабаритные показатели.

В области НЧ массогабаритные показатели LC-контура увеличиваются и ухудшается добротность Q_ЭКВ, т.к. увеличиваются потери. Поэтому в области НЧ использование LC-контуров малоэффективно, и в качестве частотно-зависимых цепей используют RC-цепи.

1.1. Избирательные lc-усилители

Классическая схема такого усилителя показана на рис. 5.3.

Сопротивление колебательного контура

X_К = X_L//X_С.

Для получения требуемого коэффициента передачи усилителя K₀ используется резистор R_ОС, при этом

Х_ОС = Х_К//R_ОС.

На резонансной частоте f₀ сопротивление колебательного контура становится чисто активным:

R_К0 = L/(Cr_К ),

Коэффициент усиления на резонансной частоте

K₀ = (R_К0//R_ОС)/R₁.

Эквивалентная добротность определяется по формуле

Q_ЭКВ = Q_КK₀.

При существенном K₀ добротность Q_ЭКВ очень велика.

1.2. Избирательные RC-усилители

У таких усилителей в качестве частотно-зависимых цепей ОС используются RC-цепи. Наиболее распространенными цепями ОС являются двойной Т-образный мост, мост Вина и многозвенные RC-цепи. Рассмотрим особенности работы таких цепей.

В избирательных устройствах находит применение двойной Т-образный мост (рис. 5.4).

Такой мост состоит из двух параллельных цепей: первая цепь включает в себя элементы R₁, R₂, C₃, а вторая - C₁, C₂, R₃.

АЧХ моста при идеальных условиях работы показана на рис. 5.5.

Принцип работы такого моста заключается в следующем. Каждая ветвь моста вносит свой фазовый сдвиг, однако, на определенной частоте f₀ фазовые сдвиги, вносимые любой параллельной цепью, равны 120^о. Поэтому U_ВЫХ = 0, а, следовательно, β = 0 при любых входных сигналах. На резонансной частоте f₀ сопротивление моста от входа к выходу R_ТТ = ∞.

Если Т-образный мост работает в идеальных условиях, то его параметры не влияют на внешние цепи и наоборот.

Идеальными условиями для такого типа моста являются следующие:

1) R_ВХ >> R_С, где R_С - внутреннее сопротивление источника сигнала;

2) R_ВЫХ << R_Н.

Первое условие будет выполнено, если R_С стремится к нулю, а R_Н - к ∞.

С учетом условий идеальности квазирезонансная частота моста

f₀ = 1/(2π ), при R₁ = R₂ и C₁ = C₂.

Для симметричного Т-образного моста, когда R₁ = R₂ = R, С₁ = С₂ = С, R₃ = 0,5R, C₃ = 2C,

f₀ = 1/(2πRC).