Цепи с обратной связью. Нелинейные цепи. Усилительные устройства. Автоколебательные системы (12-15 главы учебника "Радиотехнические цепи и сигналы" под ред. К.Е.Румянцева), страница 23

а                                                          б

Рис. 14.14. Принципиальная (а) и эквивалентная (б) схемы резонансно­го усилителя

               В эквивалентной схеме резонансного усилителя на переменном токе (см. рис. 14.14, б) транзистор с крутизной Sв рабочей точке представлен в виде четырехполюсника с h-параметрами, реактив­ное сопротивление разделительного конденсатора Ср (см. рис. 14.4, а) считается равным нулю в диапазоне частот работы усилителя, а вывод источника напряжения питания Епподключен к общей шине. Транзистор представлен в виде параллельного соединения управ­ляемого источника тока SUвхи выходного сопротивления 1/h22.

              В эквивалентной схеме резонансного усилителя управляемый источник тока SUвх характеризует ток коллектора транзистора, индуктивность Lkи емкость Ск представляют собой параллельный колебательный контур, нагрузочное сопротивление Rн определя­ет входное сопротивление последующего каскада.

               Коэффициент усиления напряжения резонансного усилителя в соответствии с рис. 14.14, б  в формате h-параметров имеет вид

                 В качестве нагрузки транзистора здесь выступают параллельно соединенные индуктивность Lk, емкость Ск и сопротивление Rн. Откуда комплексная проводимость нагрузки Yн = jωСк - j(1/ωLk)+1/Rн. Отношение параметров h21и h11характеризует крутизну транзис­тора S= h21/h11. Тогда

                                                     (14.9)

                  В выражении (14.9) величина (h22+ 1/Rн)/2Ск = δэкв называется эквивалентным коэффициентом затухания, а 1 /√(LкСк) =ω0 — резонансной частотой колебательного контура. Тогда

S1

                 Величина Qэкв = ω0экв называется эквивалентной добротностью контура, а

— обобщенной расстройкой контура. С учетом этого окончательно

можно записать:

                                                     (14.10)

               Рассматривая выражение (14.10), можно сделать следующие выводы, касающиеся свойств резонансного усилителя.

S1

1. Модуль K(ω) = описывает АЧХ усилителя. На резонансной частоте ω0

контура (ξ= 0) коэффициент усиления K0 достигает максимального значения, т.е.

K0= S/(2Скδэкв). Эквивален­тная добротность контура определяется параметрами элементов этого контура, в результате этого максимальный коэффициент усиления K0= SQ эквp/2. Видно, что с ростом крутизны S транзистора, ростом эквивалентной добротности Qэкви характеристического сопротив­ления р=1/(ω0Ск) контура максимальный коэффициент усиления возрастает. Так как Qэкв = 1/(h22+1/Rн), можно заключить, что, чем больше сопротивление нагрузки Rн и меньше выходная проводи­мость h22 коллекторной цепи транзистора, тем выше максималь­ный коэффициент усиления резонансного усилителя.

2.  Разделив модуль коэффициента усиления напряжения K(ω) резонансного усилителя (14.10) на максимальный коэффициент усиления напряжения К0 на резонансной частоте, получим нор­мированную АЧХ резонансного усилителя (рис. 14.15, а). При обоб­щенной расстройке контура ξ= ±1 (соответствует граничным час­тотам fB и fH, полосы частот работы усилителя) коэффициент уси­ления снижается до уровня 0,707 его максимальной величины.

3.  При увеличении тока коллектора транзистора в исходной рабочей точке растет крутизна Sи, как следствие, возрастает мак­симальный коэффициент усиления резонансного усилителя.

4.  Нормированная ФЧХ φ = -arctgξ резонансного усилителя рас­полагается во втором и четвертом квадрантах системы координат (рис. 14.15, б). На границах полосы пропускания контура ξ = ±1 дополнительный набег фазы φ ±45°.

Рис. 14.15. Нормированные АЧХ (а) и ФЧХ (б) резонансного усилителя

5.  Диапазон частот, ограниченный коэффициентом усиления напряжения на уровне 0,707, определяется выражением 2Δω0 = ωо/Qэкв. Таким образом, чем выше эквивалентная добротность контура, тем лучше избирательные свойства резонансного усили­теля, т.е. полоса частот, в которой происходит усиление спект­ральных составляющих сигнала, сужается.

6. Каскадное соединение nидентичных резонансных усилителей позволяет увеличить коэффициент усиления полного усилителя. На границах полосы пропускания контура ξ= ±1 коэффициент усиле­ния будет определяться выражением К(ω) = (K0/√2)n.Увеличение числа каскадно-соединенных резонансных усилителей позволяет по­высить избирательность усилителя. В этом случае диапазон частот работы усилителя будет определяться выражением 2Δω0 /√n.

14.7. Операционные усилители и их свойства

              Охват петлей глубокой ООС устройства с высоким исходным коэффициентом усиления обеспечивает зависимость реального коэффициента усиления и стабильность параметров усилителя только от элементов, входящих в цепь ООС (см. гл. 12). Роль уст­ройства с высоким коэффициентом усиления выполняют опера­ционные усилители (ОУ).

             Операционный усилитель представляет собой электронную схе­му, имеющую два входа и один выход (рис. 14.16, а), выводы подключения источников питания (рис. 14.16, б) и выводы под­ключения элементов коррекции АЧХ ОУ (имеются ОУ с внутрен­ней коррекцией, поэтому эти выводы могут отсутствовать).

                На рис. 14.16 показаны графическое обозначение и схема включе­ния ОУ. Сигнал с инвертирующего входа (кружок на рис. 14.16, а) проходит к выходу ОУ в инверсном виде, т.е. выходной сигнал сдвинут по фазе относительно входного сигнала на 180°. Сигнал с неинвертирующего входа проходит к выходу ОУ, не изменяя фазы.

              По своему построению ОУ относятся к усилителям постоян­ного тока, т.е. к усилителям, позволяющим усиливать сигналы от нулевой частоты до некоторой граничной частоты. Это достигается за счет того, что между каскадами в ОУ используется только не­посредственная связь.

               Качество устройств на основе ОУ прямо зависит от того, на­сколько свойства и параметры реальных ОУ приближаются к свой­ствам идеальных ОУ.

               В данном случае под идеальным ОУ понимают устройство, отве­чающее следующим требованиям: