Глава 5. Резонансные усилители

Назначение и виды резонансных усилителей

Резонансный усилитель (РУ) содержит резонансную селективную цепь и потому усиливает сигнал в некоторой полосе частот, в которой АЧХ усилителя имеет подъём. В РПрУ РУ используются в качестве УРЧ и УПЧ. УРЧ могут работать как на фиксированной частоте, так и на частотах, перестраиваемых в рабочем диапазоне; УПЧ работают обычно на фиксированных частотах.

РУ содержит три основных элемента: усилительный элемент (УЭ), источник питания и резонансную цепь (фильтр) с цепями связи с УЭ и с последующим каскадом.

РУ можно классифицировать в зависимости от:

типа УЭ (транзисторные, ламповые, на интегральных микросхемах, диодах с отрицательным сопротивлением);

вида резонансной цепи (одноконтурные, двухконтурные, многоконтурные, с пьезоэлектрическими и электромеханическими фильтрами, с резонансными линиями, объёмными резонаторами и т. д.)

вида цепей связи фильтра с УЭ и с последующим каскадом (усилители с непосредственным, автотрансформаторным, трансформаторным, ёмкостным и комбинированным включением фильтра.

РУ работают в режиме усиления малых сигналов, т.е. в линейном по сигналу режиме. На рис. 5.1 приведена схема одноконтурного транзисторного РУ с автотрансформаторной связью контура с УЭ и с последующим каскадом. Транзистор VТ включен по схеме с ОЭ, резисторы R₁, R₂ (базовый делитель) используются для подачи постоянного смещения на базу относительно эмиттера U_бэо. Цепочка R_эC_э используется для стабилизации точки покоя за счёт введения последовательной отрицательной обратной связи по постоянному току.

 

Коэффициент усиления и АЧХ одноконтурного

Резонансного усилителя

Любой РУ может быть представлен в виде активного линейного четырёхполюсника, нагрузкой которого является фильтр с цепями связи (рис. 5.2).

Свойства активного четырёхполюсника описываются системой уравнений с Y – параметрами:

I ₁ = Y ₁₁ U ₁ + Y ₁₂ U ₂

I ₂ = Y ₂₁ U ₁ + Y ₂₂ U ₂ (5.1)

 

Для определения коэффициента усиления воспользуемся вторым уравнением системы (5.1).

I ₂ ‌‌‌‌‌

Здесь Y ₂₁ = — - крутизна УЭ S;

U _{1 U 2 = 0}

 

U ₂

Y ₂₂ = ‌ ― - y _i – внутренняя проводимость УЭ

I ₁ U ₁ = 0

 

Видно, что выходной ток I₂ состоит из двух составляющих I ₂ = SU ₁ + y _i U ₂ и учитывая, что y_i содержит активную и емкостную составляющие y_i=q_i + jwC_вых, эквивалентную схему выходной цепи каскада РУ (рис. 5.1) можно представить в виде рис. 5.3.

Последующий каскад, являющийся нагрузкой для данного каскада, учтён его активным входным сопротивлением и его входной емкостью. Пересчитывая элементы схемы к контуру (на основе закона сохранении энергии) в соответствии с выражениями (4.3), переходим к схеме рис. 5.4.

Получим эквивалентный колебательный контур с параметрами: С_кэкв=С_к+m₁²C_вых+m₂²C_{вх сл} (эквивалентная емкость контура с учётом внесённых ёмкостей); - эквивалентная проводимость контура при резонансе с учётом внесённых сопротивлений; Y - коэффициент шунтирования (4.11).

По закону Ома напряжение на контуре U _ф= m₁ SU ₁ Z _экв где Z _экв – полное эквивалентное сопротивление контура. Знак минус в выражении для U _ф указывает, что ток m₁ SU ₁ создаёт на контуре напряжение полярности, противоположной принятой за положительную (см. рис. 5.2).

Выходное напряжение

 

U _вых = m₂ U _ф = - m₁ m ₂ SU ₁ Z _экв

и коэффициент усиления по напряжению

 

K = U _вых / U ₁ = - m₁ m₂ SZ _экв. (5.2)

 

Учитывая, что для параллельного колебательного контура Z _экв = R _экв / (1 + jα), где a - обобщенная расстройка, из (5.2) получим

m ₁ m₂ S R _экв

K = - ――――― (5.3)

(1 + j α)

Модуль коэффициента усиления (5.3)

. (5.4)

Резонансный коэфициент усиления из (5.4) при a=0

 

. (5.5)

АЧХ усилителя

(5.6)

соответствует АЧХ эквивалентного колебательного контура. Отметим, что то же выражение согласно (4.9) было получено для АЧХ одноконтурной ВЦ.

Задача оптимизации резонансного коэффициента усиления (5.5) по параметрам m₁ и m₂ решается так же как для ВУ. Максимум резонансного коэффициента усиления при заданном коэффициенте шунтирования Y (т.е. заданной полосе пропускания или g_э) реализуется при выполнении условия оптимального рассогласования, т.е. при

При этом

. (5.7)

При высокодобротном контуре (Y>>1) теоретически достигается наибольшее значение К₀. Из (5.7) при Y>>1 имеем

.

Именно в этом случае реализуется одновременное согласование контура как по выходу УЭ так и по входу последующего каскада.