Вибіркові підсилювачі
Амплітудно-частотна та фазова характеристики у підсилювачах. Корекція АЧХ підсилювача. Зворотній зв’язок у підсилювачах
I. Резонансні підсилювачі
II. Смугові підсилювачі
АЧХ та ФЧХ у підсилювачах. Корекція АЧХ підсилювача. Зворотній зв’язок у підсилювачах
Під АЧХ підсилювача розуміється частотна залежність модуля однієї з його передаточних функцій. Частіше інших на практиці використовуються комплексні передаточні функції (КПФ) вигляду:
,
Фізичний зміст модуля цих функцій представляє собою частотну залежність коефіцієнта підсилення підсилювача по напрузі та по потужності .
Тоді ФЧХ підсилювача – це аргумент його КПФ або частотна залежність різниці початкових фаз сигнала на виході та вході підсилювача:
АЧХ та ФЧХ підсилювача роздивимося на прикладі схеми на БТ з ЗЕ для
Його схема заміщення зображена на Мал.1.
Мал.1.
АЧХ та ФЧХ підсилювача зручно розглядати окремо для області середніх, нижніх та верхніх частот.
В області середніх частот можна знехтувати
провідностями та , які малі та не впливають на загальну провідність схеми, та опором ємності , який малий. З урахуванням цих допущень маємо:
(1)
(1)
- АЧХ підсилювача по схемі ОЕ в областях середніх частот
Мал.2.а Мал.2.б
З виразу (1) слідує, що АЧХ та ФЧХ в областях середніх частот частотнонезалежні, та підсилювач змінює фазу вхідного сигналу на , тобто інвертує її (про що свідчить знак мінус в виразі ).
В областях верхніх частот.
В схемі заміщення підсилювача (Мал.1.) можна знехтувати опором роздільної ємності . З урахуванням цього виразу для буде мати вигляд:
(2) ,
де =.
З виразу (2) для АЧХ та ФЧХ в області верхніх частот маємо:
(3) ; (4) .
Вираз (4) не враховує постійний фазовий здвиг на .
Аналіз виразів (3) та (4) показує, що коефіцієнт підсилення підсилювача в області верхніх частот з ростом частоти зменшується, що дає підстави казати про існування "завалу" АЧХ в області верхніх частот. Фізично це пояснюється шунтуючою дією ємності навантаження, провідність якої з ростом частоти збільшує модуль еквівалентної провідності вихідного кола, що приводить до зниження коефіцієнта підсилення.
ФЧХ отримує (з порівнянням області середніх частот) від’ємне прирощення, величина якого визначається виразом (4).
В області нижніх частот.
В схемі заміщення підсилювача можна знехтувати величиною провідності ємності загрузки та вихідної ємності . В цьому випадку вираз для комплексного коефіцієнта підсилення має вигляд:
де =
Звідси для АЧХ та ФЧХ відповідно маємо:
(5) ; (6) .
Із виразу (5) слідує, що зі зміною частоти в сторону зменшення (відносно області середніх частот) в АЧХ підсилюється також як і в області верхніх частот має місце "завал", обумовлений зростанням опору розподільного конденсатора з зменшенням частоти.
ФЧХ підсилювача (по порівнянню з областю середніх частот) отримує додатній приріст, величина якого також визначається ємністю розподільного конденсатора.
Об’єднуючи результати аналізи, проведеного для окремих областей частот, отримуємо результуючі АЧХ та ФЧХ підсилювача на БТ по схемі ОЕ (мал.. 3.1.).
Мал.. 3.3.
Частотні характеристики підсилювача з іншими схемами включення підсилюючого елементу ОК (ОС), ОБ (ОЗ) можуть бути отримані аналітичним методом.
Наявність "завалів" АЧХ в області нижніх та верхніх частот обмежує область робочих частот підсилювача, в межах якої нерівномірність АЧХ не менше заданої величини:
та .
Спроби підсилення сигналу за межами цієї полоси частот приводять до зростання частотних викривлень.
В випадках, коли ширина спектра підсилюємого сигналу перевищує ширину робочої полоси частот підсилювача, виникає необхідність корекції його АЧХ з метою розширення цієї полоси.
На практиці використовується велика кількість різноманітних схем корекції АЧХ підсилювача. Роздивимося суть деяких з них.
Корекція АЧХ в області верхніх частот. (ВЧ корекція).
Призначена для підвищення площі підсилення та верхньої границі частоти.
а) Схема індуктивної колекторної корекції.
Ілюструється Мал.4.
Суть принципу роботи цієї схеми заключається в тому, що індуктивність , ввімкнена по змінному струму паралельно ємності навантаження , створює з ним паралельний коливальний контур. Його резонансна частота вибором величини підбирається вище . В результаті шунтуюча дія ємності навантаження буде сказуватись в даній схемі на більш високих ділянках ніж в схемі некоректуючого підсилення, а значення верхньої граничної частоти () переміщується в область більш високих частот.
Мал.5
Переваги
даної схеми корекції являється її простота та значне збільшення (в 1,7 рази) площі підсилення.
Недолік
схеми заключається в наявності в ній котушки індуктивності, яку неможливо виготовити з використанням інтегральної технології. Одним з можливих варіантів вирішення цієї проблеми є заміна котушки індуктивності без індуктивною схемою, маючою вхідний опір індуктивного характеру.
б) Схема емітерної високочастотної корекції (Мал.6.)
В ланцюг емітера вмикається ланцюг (RC) частотно-залежної ООС, яка діє тільки в області нижніх та середніх частот, зменшуючи в цих областях напругу на величину напруги ООС . При цьому зменшується і коефіцієнт підсилення в ОНЧ та ОСЧ. В області верхніх частот (ОВЧ) ООС зникає, бо величина ємності С вибрана таким чином , що її опір в ОВЧ було на багато менше опору R, а напруга зворотного зв’язку - близьке до нуля. В результаті коефіцієнт підсилення підсилювача в ОВЧ зростає порівняно з його значенням в ОНУ та ОСУ, а нерівномірність АЧХ не більше заданої в більш широкій просі частот. Даний принцип роботи схеми емітерної корекції ілюструється на Мал.7.:
Мал.7.
Недоліком даної схеми є зменшення за рахунок ООС коефіцієнта підсилення (порівняно зі схемою без корекції) в ОНЧ та ОСЧ. Але цей недолік можна компенсувати, ввімкнувши додатковий каскад підсилення.
в) Схема колекторної низькочастотної корекції (Мал.8.):
Мал.8.
Завал АЧХ підсилювача в ОНЧ обумовлений падінням частини напруги підсиленого сигналу на опорі роздільного конденсатора, що приводить до зниження напруги на опорі навантаження та коефіцієнта підсилення підсилювача в цілому. Ідея роботи схеми низькочастотної корекції заключається в тому, що за допомогою фільтру включеного в ланцюг колектора послідовного з збільшується опір його навантаження на величину тільки в області нижніх частот.
Величина ємності обирається такою, щоб в ОСЧ її опір був на багато меншим та закорочувало його по змінному струму. В результаті цього тільки в ОНЧ змінна напруга на колекторі оказується більше ніж в ОСЧ та ОВЧ та тим самим компенсується його падіння на .
Мал.9.
Потрібна степінь корекції досягається вибором параметрів ланцюга (Мал.9.). Оптимальним є вибір параметрів ланцюга, задовольняючий умові: . Відношення опорів та визначається призначенням підсилювача.
Зворотній зв
’
язок ОС в підсилювачах.
Між вхідним та вихідним ланцюгами підсилювача завжди існує зв’язок, який має або істотний характер (паразитний зв’язок), або утворюється спеціально для зміни характеристик підсилювача в потрібну сторону.
Розглянемо основні поняття, характеризуючи підсилювач, коли ланцюг ОС вводиться в схему підсилювача спеціально (Мал.10.):
Мал.10.
На Мал.10. односторонній підсилювач, тобто такий, у якого відсутній зв’язок між його входом та виходом, доповнений ланцюгом зворотного зв’язку. Його коефіцієнт підсилення (наприклад по напрузі):
З Мал.10. слідує, що
Представимо відношення у вигляді:
=.
Відношення представляє собою коефіцієнт підсилення одностороннього підсиле
=.
Відношення:
- називають коефіцієнтом зворотного зв
’
язку, а відношення:
- підсиленням по петлі ОС або петльовим підсиленням.
З урахуванням введених понять для напруги маємо:
,
а для коефіцієнта підсилення підсилювача з ОС:
.
Вираз [] ще називають зворотною різницею
, а модуль зворотної різниці, який кількісно оцінює степінь ОС називають глибиною ОС
і позначають :
.
Ще декілька важливих понять:
1. Якщо коефіцієнт ОС - дійсне число, то ОС називають частотно-незалежною.
2. Якщо петлеве підсилення не залежить від частоти, то ОС називають дійсною.
3. Якщо модуль зворотної різниці , то ОС називають від’ємною, а при - додатною.
При на багато більше одиниці ОС називають глибокою
. Далі роздивимося лише вигляди від’ємної ОС (ООС) та її вплив на основні характеристики та параметри підсилювача.
По способу підключення ланцюга ООС до виходу підсилювача розрізняють ООС по напрузі та по току, а до входу підсилювача – послідовну та паралельну. Визначити вигляд ООС можливо по слідуючому простому правилу:
- якщо напруга ОС зникає при короткому замиканні вихідних клем підсилювача , то ООС – по напрузі, а якщо при їхньому розмиканні (холостому ході ) – то ООС по току:
- якщо напруга ООС зникає на вході підсилювача при короткому замиканні його клем - то зв’язок паралельний, а якщо при їхньому холостому ході – то послідовна.
Не вдаючись у кількісний аналіз роздивимося з фізичних міркувань вплив різноманітних видів ООС на основні параметри та характеристики, такі як коефіцієнт підсилення, вхідний та вихідний опори, величина частотних та нелінійних спотворень.
ООС паралельна по напрузі (Мал.11.) (
Y
– зв
’
язок)
Мал.11.
1) Не змінює величину , а тому і коефіцієнт підсилення напруги:
.
2) Зменшує коефіцієнт підсилення току у разів:
.
3) Зменшує вхідний та вихідний опір підсилювача. Так як опір ланцюга ОС ввімкнено паралельно та .
4) Зменшує лінійне та нелінійне спотворення.
ООС послідовна по напрузі (Мал.12.) (
H
– зв
’
язок).
Мал.12.
1) Збільшує напругу на вхідних клемах підсилювача, а отже зменшує у разів.
2) Не змінює величину вхідного току, а отже і .
3) Збільшує (за рахунок послідовного з’єднання та ) величину вхідного опору та зменшує (за рахунок паралельного з’єднання та ) величину вихідного опору підсилювача.
ООС послідовна по току (Мал.13.) (
Z
– зв’язок).
Мал.13.
Порівняно зі схемою послідовної по напрузі ООС змінює лише величину вихідного опору, збільшуючи його. Інші властивості ті ж самі.
ООС паралельна по току (Мал.14.) (К – зв
’
язок).
Мал.14.
Властивості ті ж самі, що й схеми паралельного по напрузі ООС за винятком вихідного опору, яке збільшується.
I
.
Резонансні підсилювачі (РУ)
Це підсилювачі навантаженням вихідного ланцюга який є коливальна система, частіше у вигляді одиночного паралельного коливального контура першого, другого або третього виду.
Розрізняють РУ для підсилення напруги, працюючі в лінійному режимі, та РУ для підсилення потужності, у яких підсилюючий елемент (лампа або транзистор) працюють в нелінійному режимі з відсічкою току.
Підсилюючі елементи в РУ напруги (біполярні та польові транзистори) частіше всього вмикають по схемі ОЕ (ОИ) або ОБ (ОЗ), а в РУ потужності по схемі ОЕ (лампи по схемі ОК).
Варіант схеми РУ напруги на біполярному транзисторі зображено на Мал.15.:
Мал.15.
Схема РУ напруги відрізняється від схеми резисторного підсилювача тільки навантаженням вихідного ланцюга. Ланцюг струмів в режимі спокою, стабілізація точки спокою аналогічно ланцюгам резистивного підсилювача на БТ по схемі ОЕ.
Під час подачі на вхід РУ змінної напруги підсилюємого сигналу в схемі підсилювача виникають змінні складові току бази та колектора. Змінний струм колектора, протікаючи крізь елементи контура L,C створює на ньому змінну напругу, співпадаючу по частоті з напругою вхідного сигналу та противофазне йому. Величина цієї напруги визначається опором контура LC з урахуванням вносимих в нього опорів як зі сторони транзистора () так і зі сторони навантаження, тобто опором еквівалентного контура. Опір цього контура буде змінюватись зі зміною частоти сигналу, який підводиться до входу підсилювача, та при співпаданні її з резонансною частотою еквівалентного контура досягає максимуму. При подальшому збільшенні частоти опір контура та напруга на ньому зменшуються. Таким чином, залежність напруги на виході підсилювача співпадає з точністю до постійного множника з АЧХ LC контура, навантажуючого ланцюг колектора. Вибіркові властивості РУ цілком визначаються вибірковістю контура LC в його вихідному ланцюзі.
Мал.16.
Частотна залежність коефіцієнта підсилення РУ по напрузі визначається виразом:
Модуль цього виразу дає АЧХ РУ, а його аргумент – ФЧХ.
Задача аналізу підсилюючих та вибіркових властивостей РУ зводиться до аналізу еквівалентного контура LC з урахуванням вносимих в нього активних та реактивних опорів (провідностей).
Для зменшення впливу транзистора та навантаження на добротність контура LC застосовується неповне його включення як в ланцюг колектора, так і в ланцюг навантаження. У виразі для воно враховується коефіцієнтами та :
; .
При неповному вмиканні контура активні та реактивні опори зі сторони транзистора та навантаження вносяться в контур зменшеними в та рази.
ІІ. Смугові підсилювачі (СП)
ПУ це підсилювачі які забезпечують підсилення сигналу в заданій смузі частот та з заданою вибірковістю. Вони, як правило, є неперелаштовуючимися по частоті.
При порівняно невисоких вимога до ширини смуги підсилюємих частот ПУ може бути отриманий з резонансного шляхом заміни одиночного контура LC, навантажуючого ланцюг колектора (Мал.15.), смуговим двоконтурним фільтром LC з тим чи іншим видом зв’язку між контурами (Мал.17.):
Мал.17.
Фізичні процеси в схемі ПУ в режимі спокою та динамічному режимі повністю аналогічні фізичним процесам в схемі РУ.
При збільшенні вимог до ширини смуги пропускання та вибірковим властивостям ПУ, його схема у вигляді ланцюга каскадного з’єднання ПУ з одиночним LC контуром в навантаженні, кожен з яких налаштований на певну частоту. При цьому характеристика вибірковості покращується, так як результуюче АЧХ визначається перемноженням АЧХ окремих каскадів.
У випадку двокаскадного ПУ (Мал.18.) частоти на лаштування контурів повинні бути рівними граничним частотам підсилюємої смуги частот, в у випадку трійки каскадів, два з них налаштовуються на частоти, обмежуючі смугу пропускання, о один на частоту, рівну середньому геометричному з цих частот.
Мал.18. а)
Мал.18. б)
Мал.18. в)
Роздивимося схеми ПУ, які складаються з двох та трьох роз лаштованих каскадів, відносяться до так званих ПУ з розподіленою селекцією
(вибірковістю), в яких загальна вибірковість розподілена рівномірно між окремими каскадами.
В ряді випадків виникає необхідність підсилення та фільтрації сигналів з вузькою смугою, від інших, близько розміщених по частоті сигналів. При цьому ПУ будуються по принципу зосередженої селекції (Мал.19.).
Мал.19.
В цьому випадку в його схему включається фільтр зосередженої селекції, який забезпечує потрібну вибірковість, а каскади підсилення (наприклад, резистині підсилювачі) реалізують потрібне підсилення.
Література
1. Кочанов Н.С. и др. линейные радиотехнические устройства. М. ВИ. 1974 с. 369 – 380, 39.
2. Огороднійчук М.Д. Аналогові електронні пристрої. Київ 2000р.