книги / Электронные усилители

При необходимости получить большой коэффициент усиления в полосе частот до сотен мегагерц используются усилители с рас­

чае усиление отсутствует. При параллельном включении транзисто­ ров с увеличением крутизны пропорционально увеличивается и ем­ кость С0. Это не позволяет применить параллельное соединение транзисторов.

Особенность УРУ состоит в том, что усилительные возможности каждого транзистора складываются без увеличения емкости на входе и выходе усилителя. В качестве выходного и входного уст­ ройства применяется линия задержки с характеристическим вол­

новым сопротивлением р= = Y ЦС

Коэффициент усиления одного каскада, состоящего из п сек­ ций Ki = 0,5rcS-p, где S — крутизна передаточной характеристики усилительного прибора.

Рассмотрим схемное решение усилителя УЗ-ЗЗ (рис. 7.10). Ис­ точник сигнала, подключенный ко входу базовой линии первого каскада, возбуждает в ней волну тока, которая по мере распрост­ ранения создает и токи в базовых цепях транзисторов. Интервалы менаду моментами возникновения этих токов определяются време­ нем задержки соответствующих звеньев базовой линии. Поскольку последняя согласована с помощью резистора R9, то в ней отсут­ ствуют отражения. Коллекторные токи каждого транзистора первого каскада создают в коллекторной линии две волны тока: прямую, которая распространяется в направлении базовой ли­ нии второго каскада, согласующей коллекторную линию первого

транзисторов первого каскада суммируются на входе второго кас­ када, процесс усиления в котором происходит аналогичным обра­ зом. В результате прямые волны, создаваемые транзисторами вто­ рого каскада, приходят в оконечную нагрузку синфазно и сумми­ руются.

Первый каскад состоит из трех звеньев на маломощных тран­ зисторах ГТ 329А [VT1 VT6 ), каскодное включение которых

Pn?. 7.10

по схеме ОЭ—ОБ обеспечивает не только высокую степень раз­ вязки входных и выходных цепей каждого звена каскада, но и наилучшие шумовые соотношения усилителя. Режим работы по постоянному току определяется в коллекторных цепях резистора­

ному току. Резисторы R9 и R29 — это согласованные нагрузки пер­ вого и второго каскадов. Резисторы R2 и R 12 предназначены для предотвращения отражений волны от концов линий. Резисторы R3, R5, R7, R16, R20, R24, R28 обеспечивают отрицательную обрат­ ную связь. Емкость разделительных конденсаторов Cl, С17, С35 выбирают исходя из требований к нижней граничной частоте.

Рассмотрим уменьшение линейных искажений в области боль­ ших -времен и малых частот. Искажения низкочастотного спектра сигнала, которые приводят к спаду плоской вершины, образова­ нию выбросов, вызваны уменьшением усиления и появлением до* полнительного сдвига фаз в области низких частот. Такие искаже­ ния полностью отсутствуют в усилителях постоянного тока, однако недостатки непосредственной межкаскадной связи ограничивают их применение.

Искажения плоской вершины можно уменьшить, увеличив пос­ тоянные времен разделительных и блокирующих цепей, что дос­ тигается увеличением емкости и индуктивности обмоток трансфор­ маторов, а это, в свою очередь, связано с увеличением габаритных размеров конденсаторов и трансформаторов, появлением паразит­ ных емкостей и индуктивностей. Увеличение постоянной времени путем увеличения сопротивления возможно только в узких пре­ делах, что, в общем, нерационально. Основным методом является применение #С-корректирующей цепи (рис. 7.11,а). Конденсатор С ф и сопротивление R ф выполняют функцию корректирующей

цепи. Сопротивление переменному сигналу в диапазоне частот, не

С2) амплитудно-частотные характеристики могут иметь апериоди­ ческий (/), критический (2) и колебательный (3) процесс при низ­ ких частотах сигнала (рис. 7.11,6).

Расширение частотной характеристики, коррекция сигнала в об-

.ласти больших и малых времен, повышение стабильности характе­

ристик усилителя достигаются применением многокаскадных уси­ лителей, охваченных отрицательной обратной связью.

В широкополосных каскадах двухкаскадный усилитель, охва­ ченный ООС, называется «двойкой». Схема «двойки» с последо­ вательной обратной связью по напряжению приведена на рис. 7.12.

Часть выходного напряжения через цепь ООС R4, R5, пред­ ставляющую делитель напряжения, подается на вход каскада. Кроме общей ООС в схеме осуществляется местная ООС через сопротивление /?4. Местная обратная связь стабилизирует харак­ теристики каскада, но уменьшает добротность первого транзисто­ ра.

температурной стабильностью, что обеспечивает малый дрейф ну­ ля. Низкое сопротивление цепи обратной связи и соединение ее о корпусом позволяют регулировать коэффициент усиления, изменяя сопротивление обратной связи R2. С помощью комплементарных транзисторов и стабилитрона можно легко осуществить связь меж­ ду каскадами по постоянному току. В реальных схемах режим транзистора VT1 выбирается из условия нулевого напряжения на эмиттере. В этом случае изменение сопротивления R% не приводит

Каскады с токовым выходом применяются при низкоомной наг­ рузке (например, при подключении к выходу усилителя согласо­

/пихтах=Ялин -/цхтах , где Клиа — коэффициент усиления, обеспечивающий линейность выходной характеристики.

При использовании каскада в качестве источника напряжения основной характеристикой является: t/Bb X= RH xmax •

Косновным схемам выходных каскадов отн ос ятс я однотактные

идвухтактные повторители, каскодные и дифференциальные схе­ мы. Примеры построения выходных каскадов были приведены ра­

нее.

Представляет интерес применение операционных усилителей при построении выходных каскадов широкополосных усилителей. Комплекс требований, предъявляемых к таким усилителям: ши­ рокая полоса, заданный коэффициент усиления по напряжению и мощности, время установления импульса, максимальная амплиту­ да сигнала на согласованной нагрузке. Малые искажения тре­ буют применения глубокой ОС, которая может быть достигнута при большом коэффициенте усиления ОУ на постоянном токе с

Рис. 7.13

разомкнутой ОС. Малое время установления требует широкой по­ лосы пропускания при ограниченном количестве каскадов. Связь

70МГц.

Большой коэффициент усиления напряжения в широкой полосе

также оконечный каскад ОК. После входного резистора RBX сиг­ нал поступает через конденсатор Свх в ВЧ-канал и непосредст­ венно в НЧ-канал, выходной сигнал которого вводится в выходной каскад ВЧ-канала, откуда суммарный сигнал подается в оконеч­ ный каскад. Отрицательная ОС с выхода на вход усилителя осу­ ществляется через резистор Ro.с , а согласование со входом ат­ тенюатора или с нагрузкой — через согласующий резистор Rc, сопротивление которого равно сопротивлению нагрузки (50 Ом).

Ro.c

Рис. 7.14

В принципиальной схеме, приведенной на рис. 7.15, канал НЧ выполнен на интегральном ОУ (микросхема DA), обеспечиваю­ щем большое усиление на низкой частоте. Элементы R10, С4, С5 предназначены для коррекции АЧХ упомянутого операционного усилителя с целью получить устойчивое усиление. С помощью ре­ зисторных делителей напряжения R1 R3 и R8, R9 устанавли­ вают нулевое положение постоянной составляющей на выходе уси­ лителя при короткозамкнутом входе микросхемы DA. Канал ВЧ

т>

^4

мый режим работы каскада по постоянному току. Помимо того, R13 служит для симметрирования половин ВЧ-канала по постоян­ ному току. С эмиттеров VT1, VT2 высокочастотный сигнал сим­ метрично подается на базы транзисторов VT3, VT4, составляющих второй каскад усиления, выполненный как каскад с динамической нагрузкой. В эмиттеры VT3, VT4 подается сигнал с выхода НЧканала (через резистор R23 и цепочку R24, С19, R25). Легко ви­ деть, что VT3, VT4 включены по схеме с ОЭ для сигналов ВЧ-ка­ нала и по схеме с ОБ для сигналов НЧ-канала. В коллекторных цепях VT3, VT4 усиленные ВЧ- и НЧ-сигналы суммируются, после чего результирующий сигнал симметрично подается на оконечный каскад. Резисторы R20 и R2 1 обеспечивают требуемый режим ра­ боты каскада с динамической нагрузкой по постоянному току, а цепочки С18, R26 и С2 0 , R27 служат для увеличения усиления усилителя в области верхних частот. Элементы R19, С12, С14 сос­ тавляют цепь отрицательной ОС высокочастотного канала. Эта цепь совместно с конденсаторами С13 и С19 так формируют АЧХ усилителя, что скорость спада АЧХ составляет 20 дБ/дек. (усло­ вие устойчивости усилителя). Входная частотно-компенсированная цепь усилителя по основному сигналу выполнена на элементах R6 , R7, Cl, СЗ. Резисторы R22 и R28 составляют цепь общей отри­ цательной ОС усилителя, конденсаторы С9, СЮ установлены для улучшения прямоугольной формы сигнала (путем снятия выбро­ сов) . 4ЁУ

Режим оконечного каскада по постоянному току создается с помощью диодов VD1, VD2, резисторов R29 ... R32, согласующе­ го резистора R33 и резистора нагрузки (50 Ом), роль которого играет входное сопротивление аттенюатора при ослаблении, не равном нулю, или сопротивление внешней нагрузки, когда ослаб­

резистор R33, помимо своего прямого назначения, защищает тран­ зисторы усилителя от выхода из строя при коротком замыкании внешней нагрузки. Конденсаторы С21 и С22 исключают появление сигнала и пульсаций на коллекторах VT5 и VT6 .

Контрольные вопросы

1.Приведите классификацию методов высокочастотной коррекции.

2.Приведите способы уменьшения эффекта Миллера.

3.Произведите оценку достоинств и недостатков приведенных методов вы­ сокочастотной коррекции.

4.Рассмотрите виды межкаскадных связей и поясните, как они влияют на искажения частотной и переходной характеристик.

ГЛАВА 8

ИЗБИРАТЕЛЬНЫЕ УСИЛИТЕЛИ

Избирательными или селективными называются усилители, имеющие узкую полосу пропускания и усиливающие сигналы толь­ ко в пределах этой полосы частот. За пределами полосы пропус­ кания усиление значительно меньше, либо вообще отсутствует.

Избирательные усилители применяются для усиления сигналов как на высоких, так и на низких частотах. Они используются в се­ лективных вольтметрах, анализаторах спектра, синтезаторах час­ тоты, измерителях нелинейных искажений и многих других радиоизмерительиых приборах. Кроме того, такие усилители являются одними из важнейших каскадов радиопередающих и радиоприем­ ных устройств. По принципу действия избирательные усилители делятся на резонансные и усилители с частотно-зависимой обрат­

избирательными свойствами.

В усилителях с частотно-зависимой обратной связью исполь­ зуют цепи частотно-зависимой обратной связи, усиливающие или подавляющие сигналы в узком диапазоне частот, что предопреде­ ляет резонансный характер частотной характеристики усилите­ ля.

Резонансные усилители. В зависимости от вида резонансной це­ пи они подразделяются на одноконтурные, двухконтурные, много­ контурные, усилители с пьезоэлектрическими и электромеханичес­ кими фильтрами, усилители с резонансными линиями и объемны­ ми резонаторами.

В зависимости от вида АЧХ различают усилители резонансной частоты и полосовые усилители с АЧХ по форме, близкой к пря­ моугольной. В резонансных усилителях нагрузкой выходной цепи усилительного элемента является параллельный колебательный контур (фильтр), имеющий высокое сопротивление для резонанс­ ной частоты и малое сопротивление для других частот.

Низкие входное и выходное сопротивления транзистора оказы­ вают сильное шунтирующее действие на колебательный контур, вследствие чего резко падает усиление каскада и ухудшаются его избирательные свойства. Поэтому в транзисторных схемах резо­ нансных усилителей чаще используют трансформаторные, авто­ трансформаторные способы связи контура с цепями транзистора, реже применяются непосредственная связь и связь через емкост­ ный усилитель, которая называется емкостной связью.

Типовая схема резонансного усилителя с трансформаторной связью приведена на рис. 8.1, а.

В резонансных усилителях чаще всего используется включение транзистора по схеме с общим эмиттером. Индуктивность L ко­ лебательного контура в цепи коллектора создается первичной об­ моткой трансформатора связи с внешней нагрузкой R „ . При не­ посредственной связи с внешней нагрузкой, которой обычно явля­ ется входное сопротивление последующего каскада усиления, под­ ключение нагрузки осуществляется через разделительный конден­ сатор С2 (показано штриховой линией). Назначение остальных элементов такое же, что и в резисторном каскаде предваритель­ ного усиления. Разделительные конденсаторы Cl, С2 выбираются таким образом, чтобы они не оказывали влияния на частотную характеристику резонансного усилителя. На рис. 8.1,6 приведена

Если усиливаемая частота не слишком отличается от резонансной частоты ©о. то

нансной частоте ©(2Д©= 0). В этом случае оно имеет максималь­ ное значение и активный характер.

При 2Д©=т^0 сопротивление контура уменьшается; это видно по частотной характеристике (рис. 8.1, в), построенной в соответствии с выражением (8.8). Резонансная кривая колебательного контура,