Избирательные усилители
Избирательными или селективными называются усилители, имеющие узкую полосу пропускания и усиливающие сигналы только в пределах этой полосы. За пределами полосы пропускания усиление значительно меньше, либо вообще отсутствует.
Избирательные усилители применяются для усиления сигналов как на высоких, так и на низких частотах. Они используются в селективных вольтметрах, анализаторах спектра, синтезаторах частоты, измерителях нелинейных искажений и многих других радиоизмерительных приборах. Кроме того, такие усилители являются одним из важнейших каскадов радиопередающих и радиоприёмных устройств. По принципу действия избирательные усилители делятся на резонансные и усилители с частотно-зависимой обратной связью.
В резонансных усилителях узкая полоса пропускания обеспечивается использованием в качестве нагрузки выходной цепи транзистора
параллельного LC-контура, обладающего частотно-избирательными
свойствами.
В усилителях с частотно-зависимой обратной связью используются цепи частотно-зависимой обратной связи, усиливающие или подавляющие сигналы в узком диапазоне частот, что предопределяет резонансный характер частотной характеристики усилителя.
Резонансные усилители.В зависимости от вида резонансной цепи резонансные усилители подразделяются на одноконтурные, двухконтурные, многоконтурные, усилители с пьезоэлектрическими и электромеханическими фильтрами, усилители с резонансными линиями и объёмными резонаторами.
В зависимости от вида АЧХ различаются усилители резонансной частоты и полосовые усилители с АЧХ по форме, близкой к прямоугольной. В резонансных усилителях нагрузкой выходной цепи усилительного элемента является параллельный колебательный контур (фильтр), имеющий высокое сопротивление для резонансной частоты и малое сопротивление для других частот. Транзистор может быть включён по схеме с общей базой, общим эмиттером и общим коллектором, однако в большинстве случаев используются схема с общим эмиттером, обеспечивающая максимальное усиление по мощности с малым уровнем шума. Частотная характеристика резонансного усилителя определяется параметрами колебательного контура, причём избирательные свойства контура могут быть наиболее полно реализованы в схеме усилителя при условии малого шунтирования контура выходным сопротивлением источника сигнала и входным сопротивлением нагрузки. Известно, что транзистор имеет низкие входные и
выходные сопротивления. Поэтому при построении схем транзисторных
усилителей приходится считаться с шунтирующим действием этих сопротивлений на контур, ведущий к снижению коэффициента усиления каскада и ухудшению его избирательных свойств.
Для уменьшения влияния транзисторов ( данного каскада и следующего) на контур в схемах резонансных усилителей, как правило, используют неполное включение контура в коллекторную цепь транзистора. Такое включение может быть достигнуто, например, с помощью автотрансформаторной схемы включения контура (рисунок 1.77).
Рисунок 1.77-Схема принципиальная резонансного усилителя ( а) и
амплитудно - частотная характеристика ( б).
Данная схема состоит из следующих элементов: индуктивность L1 совместно с конденсатором С1 образуют параллельный колебательный контур, резисторы R1 и R2 предназначены для создания напряжения смещения на транзистор VT, разделительные конденсаторы Cp1 и Ср2 выбираются таким образом, чтобы они не оказывали влияние на частотную характеристику резонансного усилителя. Коэффициент усиления резонансного усилителя максимален при
совпадении частоты усиливаемого сигнала fc с резонансной частотой
колебательного контура fо=1/2π√L1·Cэкв, уменьшаясь на других частотах.
Усилители с частотно-зависимой обратной связью. Резонансные и полосовые усилители дают хорошие результаты лишь при рабочей частоте порядка единиц килогерц и выше. На более низких частотах индуктивность резонансного контура оказывается чрезмерно большой и контур становится громоздким и дорогим. Катушка индуктивности такого контура содержит много витков тонкого провода и очень чувствительна к наводкам и помехам, а также ухудшаются технические (добротность, избирательность) показатели. Поэтому избирательные усилители, предназначенные для работы на частотах
порядка сотен герц и ниже, обычно строятся с использованием частотно-избирательных фильтров типа RC в цепи отрицательной обратной связи.
Структурная и принципиальная схема приведена на рисунке 1.78,а.б Т-образный фильтр включается в цепь отрицательной обратной связи. На квазирезонансной частоте fo фильтр вносит максимальное затухание в сигнал, проходящий с выхода на вход. Поэтому глубина отрицательной обратной связи практически равна нулю и усиление сигнала оказывается максимальным. На частотах, отличающихся от квазирезонансной, затухание, вносимое фильтром, уменьшается. При этом усиливается отрицательная обратная связь и соответственно уменьшается усиление сигнала. Частотная характеристика такого усилителя (рисунок 1.78,а) напоминает резонансную характеристику колебательного контура и, следовательно, приведенная схема по своим свойствам подобна избирательному усилителю с нагрузкой в виде колебательного контура.
Рисунок 1.78 - Структурная и принципиальная схема усилителя с частотно зависимой обратной связью на двойном Т – образном фильтре
Для того, чтобы избежать влияния малого сопротивления источника входного напряжения на фильтр, между входом усилителя и фильтром включают развязывающий резистор Rг. Величина сопротивления этого резистора составляет 1,2 МОм.
Каскодная схема на полевых транзисторах и с резонансным контуром
Один из способов устранения ёмкостной обратной связи и эффекта Миллера, который можно реализовать как на биполярных, так и на полевых транзисторов. В случае полевых транзисторов один из которых VT1 включается по обычной схеме с общим истоком, но вместо нагрузки и получения выходного сигнала непосредственно на стоке этого транзистора вводится другой полевой транзистор VT2, причем этот транзистор включен по схеме с общим затвором. Этот принцип применяется в предусилителях, в приёмниках FM – диапазона ( рисунок 1.79 )
.
Рисунок 1.79 – Предусилитель для радиодиапазона коротких волн на полевых
транзисторах с р-п- переходом в каскодном включении
Насхеме ( рисунок 1.79 ) транзистор VT1 включен по схеме с общим истоком. В цепь стока транзистора VT1, включен транзистор VT2 по схеме с общим затвором, так что сопротивление нагрузки в цепи стока транзистора VT1 равно 1/S и это сопротивление очень мало по величине. Если оба полевых транзисторов имеют одинаковую крутизну S, то коэффициент усиления напряжения на транзисторе VT1 равен
Кu ≈ - S R ≈ -S ( 1/S ) ≈ -1 . ( 1.79 )
Благодаря этому единичному усилению напряжение сигнала на емкости сток-затвор транзистора VТ1, пренебрежимо мало и эффект Миллера несущественен.
Оконечная нагрузка ZLпомещена в цепь стока транзистора VT2и в данном случае представляет собой резонансный контур с большим сопротивлением на нужной частоте. Поскольку ток стока транзистора VT2должен равняться току стока транзистора VT1, на стоке транзистора VT2возникает напряжение выходного сигнала, а коэффициент
усиления напряжения всей схемы в целом оказывается, как обычно, равным SZL. Таким образом, что роль верхнего транзистора VT2в каскодной схеме сводится к тому, чтобы поддерживать напряжение на стоке нижнего транзистора VT1постоянным и в то же время полностью передавать колебания его тока стока в нагрузку ZL . Поэтому здесь и коэффициент усиления напряжения, и большое входное сопротивление обычной схемы с общим истоком достигаются без потерь на высоких частотах из-за емкости обратной связи в транзисторе VT1 напряжение сигнала на которой пренебрежимо мало.
Рисунок 1.80 – Схема предусилителя на п- канальном МОП – транзисторе с
двумя затворами
На рисунке 1.80, в каскодной схеме к двум полевым транзисторам в одном корпусе, есть конструкция с одним каналом и двумя затворами. Таковым является МОП – транзистор с двумя затворами, иногда применяемый для усиления на высоких частотах. МОП – транзистор с двумя затворами представляет собой твердотельный эквивалент лампового тетрода ( с экранной сеткой ) ; затвор служит электростатический экран между стоком и затвором, приводя таким образом к значительному уменьшению ёмкости обратной связи до столь малой величины, равной ламповому триоду.