2.5. Принципы построения избирательных усилителей Избирательные lc-усилители
Резонансные усилители. Избирательные усилители с нагрузкой в виде резонансного LC-контура используют в диапазоне радиочастот для выделения узкополосного сигнала из сложного по спектральному составу входного колебания.
На рис.6 изображена схема усилительного каскада свключением в коллекторную цепь биполярного транзистора параллельного колебательного контура.
Рис.6. Схема избирательного усилителя с параллельным колебательным контуром
Единственное отличие данного резонансного усилителя от широкополосного усилителя с резистивно-емкостными связями состоит в наличии колебательного контура.
Колебательным контуром называется электрическая цепь, содержащая катушку индуктивности и конденсатор, в которой могут возбуждаться электрические колебания.
При совпадении частоты собственных колебаний с частотой вынужденных колебаний возникает резонанс в колебательном контуре.
В момент резонанса токов параллельный колебательный контур имеет наибольшее и притом чисто активное сопротивление (рис.7).
Рис.7. Зависимость комплексного сопротивления колебательного контура от частоты
На частотах, меньших резонансной, преобладает индуктивное сопротивление в колебательном контуре, на частотах, больших резонансной, преобладает емкостное сопротивление.
Зависимость
коэффициента усиления
резонансного
усилителя от частоты совпадает с
частотной зависимостью комплексного
сопротивления
колебательного
контура.
Колебательный контур в резонансном усилителе выполняет две функции: во-первых, обеспечивает частотную избирательность сигнала и,во-вторых, согласует выходное сопротивление данного каскада с входным сопротивлением следующего.
Полосовые усилители. Среди резонансных усилителей напряжения можно выделить, так называемые, полосовые усилители, которые имеют амплитудно-частотную характеристикублизкую к прямоугольной форме (рис.8).
Рис.8. Амплитудно-частотная характеристика полосового усилителя
Прямоугольность АЧХ обеспечивается несколькими способами. Во-первых, включением в выходную цепь усилителя системы двух связанных контуров, каждый из которых настроен на заданную частоту. Во-вторых, использованием двух каскадов, имеющих в выходной цепи каждый по одному несвязанному контуру.
Приближение амплитудно-частотной характеристики реального полосового усилителя к прямоугольной оценивается коэффициентом прямоугольности (3).
Избирательные rc-усилители
Низкочастотные избирательные усилители выполняют с обратными связями через частотно-зависимые RC-цепи.
Возможность получения высоких добротностей определило широкое распространение избирательных усилителей с режекторными цепями в виде двойных Т-образных мостов.
Двойной Т-образный мост. Схема двойного Т-образного моста приведена на рис.9.
Рис.9.Схема двойного Т-образного моста
Коэффициент
передачипо напряжению двойного
Т-образного моста
сильно
зависит от частоты
.
На низких частотах
коэффициент
передачи стремится к единице
,
так как сопротивления конденсаторов
становятся
большими и всё входное напряжение
через
“верхний”одинарный Т-образный мост
(R1,
C3,
R2)передаётся
на выход
.
На высоких частотах
коэффициент передачи тоже стремится к
единице
вследствие того, что сопротивления
конденсаторов становятся малыми и всё
входное напряжение
через “нижний” одинарныйТ-образный
мост (C1,
R3,
C2)передаётся
на выход
.
На квазирезонансной
частоте
общий
коэффициент передачи по напряжению
равен нулю
,
поскольку на этой частоте каждый из
одинарных Т-образных мостов, из которых
состоит двойной Т-образный мост, имеет
равные по модулю и противоположные по
фазе коэффициенты передачи и их выходные
токи взаимно компенсируются, так что
Вывод частотных характеристикдвойного Т-образного моста приведенв прил.1.
На рис.10представлена амплитудно-частотная характеристика моста, на рис.11 – фазочастотная характеристика (ФЧХ).
Рис.10. АЧХ двойного Т-образного моста
Рис.11. ФЧХ двойного Т-образного моста
Существенное влияние на работу двойного Т-образного моста оказывают сопротивления нагрузки и генератора сигналов.
Повторитель напряжения с режекторным фильтром в виде двойного Т-образного моста. В некоторых случаях не столь важным является усиление по напряжению, как способность усилителя согласовывать высокое внутреннее сопротивление источника сигналов с низким и, возможно, изменяющимся сопротивлением нагрузки. В данном случае (рис.12) операционный усилитель включен в качестве повторителя напряжения, который имеет большое входное сопротивление и способен работать на низкоомную нагрузку. Так как выходное сопротивление повторителя напряжения мало, то изменения сопротивления нагрузки оказывают на амплитуду выходного сигнала пренебрежимо малое влияние.
Рис.12. Схема повторителя напряжения с режекторным фильтром в виде двойного Т-образного моста
Повторитель напряжения, включённый между источником сигналов с высоким внутренним сопротивлением и нагрузкой, имеющей меньшее или меняющееся сопротивление, называется буферным усилителем.
ИзбирательныйRC-усилитель на операционном усилителе с двойным Т-образным мостом в цепи обратной связи. В этой схеме избирательного усилителяцепь двойного Т-образного моста образует частотно-зависимую отрицательную обратную связь (ООС), последовательную по напряжению (рис.13).
Рис.13. Схема избирательногоRC-усилителя на операционном усилителе с двойным Т-образным мостом в цепи обратной связи
Коэффициент усиления усилителя с обратной связью определяется следующим образом:
, (4)
где
-
коэффициент усиления усилителя,
-
коэффициент передачи цепи обратной
связи.
Анализируя данное выражение с учётом свойств цепи обратной связи можно прийти к следующим выводам.
Так как в двойном
Т-образном мосте на низких и на высоких
частотах коэффициент передачи стремится
к единице (см. рис.10), то
и, следовательно
.
На квазирезонансной частоте коэффициент
передачи сбалансированного моста равен
нулю, то есть мост имеет весьма большое
сопротивление. Таким образом,
и
,
где
-коэффициент
усиленияоперационного усилителя.В
частном случае, для операционного
усилителя К553УД2, используемого в
лабораторных работах, коэффициент
усиления по напряжению
.
Основные параметры и характеристики
этого операционного усилителя приведены
в прил.2.
На рис.14 представлены амплитудно-частотные характеристики, как самого избирательного усилителя, так и двойного Т-образного моста, и операционного усилителя.
На рис.15 представлена фазочастотная характеристика избирательногоRC-усилителя с двойным Т-образным мостом в цепи обратной связи.
Достоинстваизбирательного усилителя.Одним из достоинств данного избирательного усилителя является возможность получения высоких добротностей.
Недостаткиизбирательного усилителя. Основной недостаток схем с двойным Т-образным мостом заключается в большой чувствительности их добротности к вариациям пассивных элементов, что приводит к трудностям настройки усилителей, перестройки их квазирезонансных частот, обеспечению их стабильности и устойчивости. Например, для настройки усилителей на необходимую квазирезонансную частоту и добротность требуется одновременное изменение сразу двух элементов моста, что существенно усложняет и делает трудоёмким процесс получения необходимых параметров.
Более того, учитывая, что в усилителе возникают дополнительные фазовые сдвиги, а входные и выходные сопротивления усилительных каскадов трудно согласуются с сопротивлениями двойных Т-образных мостов, практически невозможно убедиться в правильности настройки избирательных RC-усилителей.
Рис.14. АЧХ избирательногоRC-усилителя на операционном усилителе с двойным Т-образным мостом в цепи обратной связи
Рис.15. ФЧХ избирательногоRC-усилителя на операционном усилителе с двойным Т-образным мостом в цепи обратной связи
Кроме этого, использование конденсаторов и резисторов с малыми температурными коэффициентами ТКЕ и ТКС не гарантирует получение стабильности добротности.
ИзбирательныйRC-усилитель
на операционном усилителес многопетлевой
обратной связью.Обратная
связьв этой схемеосуществляется
одновременно через включенные параллельно
резистор
и
конденсатор
(рис.16).
Рис.16. СхемаизбирательногоRC-усилителяна операционном усилителе с многопетлевой обратной связью
Часть
амплитудно-частотной характеристики,
соответствующая фильтру пропускания
нижних частот, формируется с помощью
цепи
и
,
а часть, соответствующая фильтру
пропускания верхних частот, - с помощью
цепи
и
.
Сопротивление
служит для увеличения входного
сопротивления избирательного усилителя
и обеспечивает возможность задавать
коэффициент усиления по напряжению в
полосе пропускания.
Вывод частотных характеристик избирательного усилителя с многопетлевой обратной связью приведен в прил.3.
На рис.17 изображена амплитудно-частотная характеристика избирательногоRC-усилителя с многопетлевой обратной связью, на рис.18– фазочастотная характеристика.
Рис.17. АЧХ избирательногоRC-усилителя на операционном усилителе с многопетлевой обратной связью
Рис.18. ФЧХизбирательногоRC-усилителя на операционном усилителе с многопетлевой обратной связью