Широкополосные и линейные импульсные усилители

Размещено на http://www.allbest.ru/

ШИРОКОПОЛОСНЫЕ И ЛИНЕЙНЫЕ ИМПУЛЬСНЫЕ УСИЛИТЕЛИ

В ряде устройств усиление сигналов необходимо проводить для широкого спектра частот. АЧХ усилителей при этом должна быть равномерной в диапазоне от нескольких единиц или десятков Гц до нескольких десятков и сотен МГц. Такие усилители относят к классу широкополосных. Преимущественное применение они получили при усилении сигналов сложной, в частности импульсной, формы, характеризующейся широким спектром частот. Усилители, предназначенные специально для усиления сигналов импульсной формы, называют импульсными.

По режиму работы усилительных каскадов различают линейные и нелинейные импульсные усилители. В нелинейных импульсных усилителях транзисторы усилительных каскадов работают в нелинейном режиме (ключевой режим работы). В линейных импульсных усилителях амплитуда выходного импульса U_выхm пропорциональна амплитуде входного импульса U_вхm и связана с ним через коэффициент усиления . Как и в усилителях переменного и постоянного токов, точку покоя каждого каскада выбирают на линии нагрузки в пределах линейно области выходных характеристик транзистора.

Если принять, что входной импульс имеет бесконечно малые длительности переднего и заднего фронтов (рис. 1, а), то импульсный усилитель в процессе усиления такого сигнала должен внести минимально возможные искажения его формы (рис. 1, б). Допустимые искажения выходного импульса характеризуются максимально возможными длительностями его переднего фронта t_ф и заднего фронта (среза) t_ср, измеряемые обычно на уровне от 0,1 до 0,9 амплитуды напряжения U_выхm, а также максимально допустимым спадом плоской вершины ДU выходного импульса.

Рис. 1. Импульсный сигнал на входе (а) и его искажение на выходе (б) усилителя

Импульсный сигнал прямоугольной формы характеризуется широким спектром гармонических составляющих. При этом передний и задний фронты импульса определяются высокочастотной частью спектра, а вершина - его низкочастотной частью. Таким образом, качественной передаче входного импульса через усилитель будет соответствовать пропорциональное усиление им всех составляющих спектра частот входного сигнала. На передачу переднего и заднего фронтов входного импульса, а следовательно, и на времена t_ф и t_ср оказывают влияние ВЧ свойства усилителя, в частности значение верхней полосы частоты f_в полосы пропускания. На передачу плоской вершины влияет значение низшей частоты f_н полосы пропускания.

При увеличении длительности импульса t_и его гармонические составляющие сдвигаются в область более низких частот. Для передачи с минимальными искажениями плоской вершины импульса частота f_н усилителя должна стремиться к нулю.

Первые линейные импульсные линейные усилители создавались на основе усилителей с конденсаторной связью между каскадами. Определенные трудности в обеспечении широкой полосы пропускания частот в таких усилителях требовали применения дополнительных каскадов низкочастотной и высокочастотной коррекции, состоящих из реактивных элементов L и С.

Затем преимущественно стали применяться интегральные импульсные усилители по типу усилителей постоянного тока (с непосредственной связью между каскадами). Разделительные конденсаторы лишь служат для связи входной цепи усилителя с источником усиливаемых сигналов. С учетом указанного полоса пропускания интегрального импульсного усилителя начинается от частот, равных нулю, что обеспечивает почти без искажений передачу плоской вершины усиливаемого сигнала. Требуемая граница диапазона по высокой частоте, необходимая для передачи переднего и заднего фронтов, достигается технологическими методами, обеспечивающими получение ВЧ интегральных транзисторов и ничтожно малых паразитных емкостей межкаскадных интегральных соединений.

ИЗБИРАТЕЛЬНЫЕ УСИЛИТЕЛИ

Избирательные усилители предназначены для усиления сигналов в некоторой узкой полосе частот. Их частотная характеристика должна обеспечивать требуемое усиление в заданной полосе частот и достаточно крутой спад усиления вне этой полосы (рис. 2). Полоса пропускания избирательного усилителя определяется на уровне , где - коэффициент усиления при резонансной частоте . Отношение боковых частот для таких усилителей . Селективность усилительных свойств оценивают добротностью , величина которой может составлять десятки и сотни.

Рис. 2. АЧХ избирательных усилителей

Частотная избирательность рассматриваемых усилителей создает высокую помехозащищенность систем, работающих на фиксированных частотах, что широко используется в устройствах автоматического управления и контроля. На способности выделения с помощью избирательных (узкополосных) усилителей фиксированных гармонических составляющих из широкого спектра частот входного сигнала основана работа ряда измерительных устройств промышленной электроники.

Избирательные усилители при частотах свыше десятков кГц создают введением параллельного колебательного LC-контура в цепь нагрузки усилительных каскадов (резонансные усилители). НЧ узкополосные усилители выполняют с обратными связями через частотно-зависимые RC-цепи.

Схема простого избирательного усилительного каскада резонансного усилителя показан на рис. 3, а. Его особенностью в сравнении с обычным каскадом является наличие колебательного контура в коллекторной цепи транзистора. Связь с последующим усилительным каскадом подобного типа или нагрузкой может осуществляться через разделительный конденсатор или трансформатор, первичная обмотка которого определяет индуктивность L колебательного контура.

Характер зависимости коэффициента усиления каскада от частоты (рис. 2) объясняется зависимостью от частоты сопротивления, создаваемого колебательным контуром в коллекторной цепи транзистора. На резонансной частоте сопротивление колебательного контура велико, в связи с чем коэффициент усиления максимален. При отклонении частоты влево или вправо от резонансной сопротивление контура уменьшается ввиду увеличения шунтирующего действия соответственно его индуктивности или емкости. Это вызывает уменьшение коэффициента усиления каскада.

Рис. 3. Схема резонансного усилителя5

Узкополосные усилители с резонансным контуром создают на частоты свыше десятков кГц. Для диапазона более низких частот применение резонансных усилителей нерационально из-за больших габаритов элементов LC-контура. В диапазоне звуковых и особенно промышленных частот узкополосные усилители выполняют с обратными связями через частотно-избирательные RC-цепи. Из частотно-избирательных RC-цепей наибольшее применение получила схема двойного Т-образного моста, отличающаяся высокой частотной селективностью коэффициента передачи напряжения цепи обратной связи и угла фазового сдвига ц между напряжениями выхода и входа (рис. 4). При подходе к некоторой частоте f₀ коэффициент передачи становится равным нулю, а при ее переходе фазовый сдвиг изменяет знак. Частоту f₀ называют частотой настройки или частотой квазирезонанса. Указанные свойства проявляются при определенных соотношениях между параметрами схемы, например при R₁=R₂=R, R₃=R/2, C₁=C₂=C, C₃=2C. Частоту настройки f₀ при этом находят из соотношения

.

В качестве усилителей могут применяться интегральные УПТ и ОУ. Пример выполнения схемы избирательного усилителя на ОУ показан на рис. 5. Помимо частотно-зависимой ООС, осуществляемой по инвертирующему входу, в схему включена вещественная ООС (резистор R_ос), обеспечивающая получение требуемого коэффициента усиления усилителя.

.

Рис. 5. Схема избирательного усилителя на ОУ с двойным Т-образным мостом

усилительный каскад импульсный колебание

ГЕНЕРАТОРЫ СИНУСОИДАЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЙ

Генераторы синусоидальных колебаний осуществляют преобразование энергии источника постоянного тока в переменный ток требуемой частоты. Структурная схема генератора синусоидальных колебаний приведена на рис. 5. Коэффициент усиления усилителя и коэффициент передачи звена обратной связи приняты комплексными, т.е. учитывается их зависимость от частоты. Входным сигналом для усилителя в схеме генератора является его часть выходного напряжения, передавая звеном ПОС .

Для работы схемы в режиме генерации необходимо выполнение двух условий. Первое характеризуется тем, что фазовые сдвиги сигнала, создаваемые усилителем (ц_у) и звеном обратной связи (ц_в), в сумме должны быть кратными 2:

ц_у+ц_в=2п,

где п=0, 1, 2, 3, …

Последнее соотношение определяет условие баланса фаз в усилителе с ПОС.

Второе условие работы схемы в режиме генерации находится из выражения:

.

Последнее соотношение определяет условие баланса амплитуд.

Для получения на выходе генератора напряжения синусоидальной формы требуется, чтобы последние два соотношения выполнялись только при одной частоте.

Генераторы синусоидальных колебаний, так же как и избирательные усилители, выполняют с колебательным LC-контуром и частотно-зависимыми RC-цепями. LC-генераторы предназначены для генерирования сигналов высокой частоты (свыше нескольких десятков кГц), а RC-генераторы используются на низких частотах (вплоть до единиц Гц).

Генераторы LC-типа основаны на использовании избирательных LC-усилителей, обладающих частотной характеристикой рис. 2. Условия для генерации синусоидальных колебаний здесь создаются для частоты настройки f₀ колебательного контура, когда его сопротивление является чисто активным.

Схем построения генераторов множество. Особенностью данных схем является то, что их усилительный каскад выполнен на транзисторе с ОЭ с известными элементами R₁, R₂, R_э, С_э, предназначенными для задания режима покоя и температурной стабилизации. Выходной сигнал снимается с коллектора транзистора.

В схеме генератора рис. 6 параметрами колебательного контура являются емкость конденсатора С и индуктивность L первичной обмотки ₁ трансформатора. Сигнал обратной связи снимается с вторичной обмотки ₂, индуктивно связанный с обмоткой ₁, и через разделительный конденсатор С_р1 подается на вход транзистора. Необходимая фазировка напряжения обратной связи достигается соответствующим подключением выводов вторичной обмотки. Поскольку напряжение обратной связи меньше выходного напряжения, отношение числа витков первичной и вторичной обмоток ₁/₂>1.

Рис. 6. Схема генератора с трансформаторной обратной связью

Если принять индуктивную связь обмоток ₁ и ₂ идеальной, то для обеспечения условия баланса амплитуд необходимо, чтобы

,

где в - коэффициент передачи тока транзистора в точке покоя.

Частота генерируемых колебаний близка к резонансной частоте колебательного контура:

.

Размещено на Allbest.ru