Электроника в вопросах и ответах - И. Хабловски

Для узкополосных усилителей обычно несущественна фазочастотная характеристика, в то же время принципиальное значение имеют устойчивость и постоянство рабочих характеристик, которые обусловливают малое влияние внешних и внутренних факторов на коэффициент усиления и форму частотной характеристики.

В связи с этим площадь усиления используемых активных элементов реализуется не полностью. Коэффициент усиления не может быть очень высоким, исходя из возможности возникновения генерации либо уменьшения устойчивости схемы, вызванных наличием внутренних ОС в усилительных элементах.

В широкополосных усилителях проблема устойчивости является менее критичной, так как при постоянной площади усиления (произведения GВ) коэффициент усиления ограничен большой полосой пропускания. В то же время принципиальное значение имеет форма амплитудной и фазовой характеристик, определяющая свойства усилителя.

Избирательность в общем более важный параметр для узкополосных усилителей, чем для широкополосных.

Какие активные элементы применяют в резонансных усилителях?

Активными элементами в резонансных усилителях являются лампы, транзисторы и интегральные микросхемы. Каждый из этих элементов обладает определенными свойствами, которые существенным образом влияют на схемное и конструктивное решение усилителя. Широко применявшиеся до недавнего времени электронные лампы характеризовались достоинствами, непосредственно вытекающими из способа управления ими по напряжению. В диапазоне не очень высоких частот, где входное сопротивление лампы не зависит от времени пролета электронов и индуктивности выводов, лампа практически не вносит затухания в резонансные контуры, поскольку ее входное и выходное сопротивления велики. Свойства усилителя в этом случае зависят лишь от нагрузки (резонансных контуров).

Проблема устойчивости ламповых усилителей менее остра из-за меньшей «прозрачности» лампы вследствие небольших «обратных» емкостей. В настоящее время лампы почти полностью вытеснены транзисторами и используются только в мощных устройствах (например, в передатчиках).

Применяемые в резонансных усилителях транзисторы характеризуются высокой граничной частотой, большим значением крутизны S и относительно малой «обратной» емкостью. Однако эта емкость больше, чем у ламп, и поэтому транзисторные усилители, особенно узкополосные, требуют тщательного анализа устойчивости, что чаще всего вызывает ограничение допустимого значения коэффициента усиления.

Следует добавить, что высокая «прозрачность» усилителя может быть источником неприятностей при настройке схемы, поскольку отдельные контуры и транзисторы могут влиять друг на друга. В отличие от ламп транзисторы вносят в резонансные контуры относительно большое затухание, являющееся результатом малого входного сопротивления транзистора. В связи с этим резонансные контуры помимо формирования частотной характеристики должны также обеспечивать согласование для получения большого усиления. Необходимость выполнения этого условия влечет за собой специальную разработку резонансных контуров.

У широкополосных транзисторных усилителей дополнительную трудность при соответствующем выполнении усилителя создает тот факт, что параметры транзистора нельзя считать постоянными в широкой полосе частот. Возможные изменения параметров должны корректироваться внешними цепями

В современных резонансных усилителях применяются и интегральные микросхемы. Интегральные микросхемы, выполняющие функции усилителей высокой частоты, являются широкополосными (примерно до 100 МГц) апериодическими (нерезонансными) усилителями. Их роль ограничивается усилением сигнала, прошедшего через схему, состоящую из многих резонансных контуров и формирующую частотную характеристику.

Общей чертой активных элементов, применяемых в резонансных усилителях малых сигналов, является их работа в режиме класса А. Нелинейные искажения усилителен малы, поскольку сигналы на частотах гармоник, лежащих вне полосы пропускания, оказываются подавленными.

Какие типы нагрузок применяют в резонансных усилителях?

В резонансных усилителях, предназначенных для селективного усиления сигналов, применяют самые различные LC-резонансные контуры, выполняющие роль фильтрующих цепей. Резонансные фильтры могут быть типа двухполюсника (одиночный параллельный резонансный контур) или четырехполюсника. Последние могут быть одно-, двух- или многозвенными. В случае многокаскадных усилителей фильтры, являющиеся нагрузкой отдельных каскадов, могут быть настроены на одну либо на разные частоты. В первом случае усилитель называется синхронным, во втором — асинхронным или многорезонансным.

Индуктивные элементы фильтров (катушки индуктивности), работающие в диапазоне от 100 кГц до 100 МГц, выполняют в виде корпусов с навивкой, снабженных магнитным (ферритовым) сердечником, который служит для перестройки катушки. В диапазоне более высоких частот (от нескольких сотен мегагерц) применяют резонансные контуры с распределенными постоянными, такие как отрезки линий передачи, т. е. отрезки двухпроводных линий и объемные резонаторы.

Следует добавить, что в диапазоне частот ниже 100 кГц используют избирательные RС-цепи в схемах с ОС, поскольку индуктивные элементы, работающие в этом диапазоне частот, являются большими по размерам и трудновыполнимыми

Как можно классифицировать резонансные усилители?

Ответ на этот вопрос не прост, так как существует очень много критериев, согласно которым можно подразделить резонансные усилители. К ним относятся тип активного элемента, тип фильтрующей цепи, рабочий диапазон частот, способ получения заданной частотной характеристики, форма частотных характеристик, назначение усилителя и др. За главные критерии примем вид фильтрующей цепи и способ получения заданной частотной характеристики. В связи с этим резонансные усилители будем подразделять на усилители с одиночными резонансными контурами и двух- или многорезонансными полосовыми фильтрами, а также синхронные и многорезонансные усилители.

Какой резонансный усилитель наиболее простой?

Наипростейшей схемой резонансного усилителя является схема с одиночным резонансным контуром, включенным непосредственно в выходную цепь активного элемента. На рис. 9.3 представлены ламповый и транзисторный усилительные каскады, нагруженные параллельным резонансным контуром. По виду они не отличаются от нерезонансного усилительного каскада. Единственное отличие заключается в использовании резонансного контура в качестве нагрузки.

Рис. 9.3. Ламповый (а) и транзисторный (б) усилительные каскады с одиночным резонансным контуром

Так же как и для нерезонансного усилителя, коэффициент усиления каскада зависит от крутизны характеристики активного элемента S и сопротивления нагрузки Z (Кu = S·Z). Поскольку крутизна имеет постоянное значение, вид коэффициента усиления от частоты определяется исключительно зависимостью сопротивления Z от частоты.

На рис. 9.4 показана зависимость сопротивления контура Z, а следовательно, и коэффициента усиления каскада от частоты. Из рисунка видно, что зависимость аналогична характеристике параллельного резонансного контура, состоящего из индуктивности L и параллельно подключенной к ней емкости С. Эта емкость состоит из емкости конденсатора и суммы емкостей: выходной активного элемента, входной емкости следующего каскада, собственной емкости катушки индуктивности и емкостей рассеяния.

Рис. 9.4. Зависимость сопротивления Z параллельного резонансного контура от частоты

Максимум усиления имеет место на резонансной частоте контура (f0 = 1/2π√(L·C)) и составляет

Кu = — Sω0LQэф

где ω0 = 2πf0 — резонансная круговая частота; Qэф — результирующая добротность контура. Знак минус обозначает инверсию фазы выходного напряжения на 180° относительно входного.

Из приведенной зависимости следует, что усиление прямо пропорционально результирующей добротности контура Qpeз. Результирующая добротность контура Qpeз равна собственной добротности резонансного контура, уменьшенной из-за затухания, связанного с выходным сопротивлением активного элемента, и подключенного дополнительного гасящего сопротивления.