IX.5. Полосовые усилители.

Часто бывает необходимым усиливать относительно широкую полосу радиочастот, например, при усилении радиоимпульсов в усилителях промежуточной частоты (УПЧ) радиолокационных и телевизионных и других видов приёмников, т.е. при усилении довольно широкой полосы радиочастот. Получить удовлетворительные результаты в этих случаях с помощью резонансных усилителей очень трудно, а порой и невозможно, так как коэффициент усиления усилительного каскада при этом получается весьма малым, а избирательность очень низкой.

Действительно, коэффициент усиления каскада при резонансе определяется выражением:

К₀ = S×R_РЕЗ. ……………………………….. (9.26),

где S – крутизна входной характеристики УЭ [мА/ В];

R_РЕЗ. – резонансное сопротивление контура в нагрузке усилителя.

Из выражения (9.21) следует, что

R_РЕЗ. = L_К /R_К×C_К = w₀×L_K / R_K × w₀×C_K = w₀×L_K / R_K × (1/ w₀×C_K) =

= 1/ d×w₀×C_K = 1/ d×2pf₀×C_K = 1/ П×2p×С_К ,

откуда

К₀ = S/ 2p×C_K×П ………………………………… (9.27).

Из этой формулы видно, что коэффициент усиления каскада обратно пропорционален полосе частот. Кроме того, из условия П = d×f₀ при неизменной рабочей частоте f₀ расширение полосы П можно получить лишь за счёт увеличения затухания, т.е. уменьшения добротности контура Q , а так как

Se = Ö1 + (Q×2Df / f₀)²,

то это приводит к снижению избирательности.

Повысить коэффициент усиления можно увеличением числа каскадов, но при этом сужается полоса пропускания всего приёмника П. Это хорошо видно из рис.9.9,

где К₁ – коэффициент усиления одного каскада усилителя, а К_ОБЩ – коэффициент усиления двухкаскадного усилителя (с одинаковыми каскадами).

Рис.9.9 Изменение полосы пропускания при изменении числа каскадов.

Чтобы расширить полосу П до прежнего значения, необходимо расширить П₁ для каждого каскада, а это приводит к снижению их коэффициентов усиления. В результате общий коэффициент усиления повышается незначительно, а при широкой заданной полосе может вообще не повышаться.

Это заставляет при усилении относительно широкой полосы высоких частот прибегать к особому типу резонансных усилителей, получивших название полосовых усилителей. Обычно эти усилители работают на фиксированной рабочей частоте, что позволяет применить в них сложные (связанные) колебательные системы. Полосовые усилители применяются, в частности, в качестве УПЧ в супергетеродинных приёмниках.

Требования, предъявляемые к полосовому усилителю:

· высокий коэффициент усиления в заданной полосе частот;

· максимальное относительное ослабление напряжений всех частот, лежащих за пределами выбранной полосы, т.е. высокая избирательность;

· минимальные вносимые искажения, вызванные нелинейностью характеристик УЭ;

· устойчивость работы в выбранном диапазоне частот.

Наилучшей резонансной характеристикой УПЧ является идеальный прямоугольник (рис.9.10).

Рис. 9.10. Идеальная резонансная характеристика усилителя.

Реальная характеристика контура (рис.9.11) значительно отличается от идеальной.

Рис. 9.11. Реальная резонансная характеристика усилителя.

Если при идеальной характеристике коэффициент усиления каскада во всей полосе частот одинаков и равен добротности контура, а за границей этой полосы равен нулю, то при реальной характеристике контура коэффициент усиления в пределах полосы не одинаков. Он имеет максимальное значение, равное добротности, на резонансной частоте, а за пределами полосы коэффициент усиления постепенно спадает, стремясь в пределе к нулю.

Для того чтобы одновременно характеризовать и частотные искажения в пределах полосы, и избирательность за пределами этой полосы, вводят коэффициент прямоугольности К_П, показывающий отношение полосы частот, отсчитанной на уровне 0,7 , к полосе частот, отсчитанной на определённом уровне. Так, для уровня 0,1 коэффициент прямоугольности равен:

К_П = П_0,7 / П_0,1 ………………………………. (9.28).

Для идеальной характеристики К_П = 1, так как П_0,7 = П_0,1. Для реальной характеристики, как это видно из рис.9.11, К_П < 1.

Полосовые усилители чаще всего работают на фиксированных частотах, что имеет место в УПЧ супергетеродинных приёмников, и не перестраиваются. Схемы полосовых усилителей можно характеризовать по количеству колебательных контуров в каждом каскаде.

1. Полосовой усилитель с взаимно расстроенными каскадами.

В этом случае колебательные контуры в двух смежных каскадах расстроены относительно резонансной частоты на одинаковую величину: контур первого каскада настраивается на частоту выше рабочей на величину Df, а резонансная частота контура второго каскада – на такую же величину, но ниже рабочей. Такой усилитель должен иметь чётное количество каскадов.

Результирующая частотная характеристика такого двухкаскадного полосового усилителя будет иметь вид двугорбой кривой, изображённой на рис.9.12, и коэффициент прямоугольности её возрастёт.

Рис. 9.12. Резонансные характеристики усилителя с взаимно

расстроенными контурами:

а) для первого каскада; б) для второго каскада; в) общая.

Общий коэффициент усиления является произведением коэффициентов усиления двух каскадов. Выбор добротности каждого каскада и их расстройки позволяет получить результирующую кривую, приближающуюся к прямоугольной форме. Такие схемы обладают невысокой избирательностью при заданной ширине полосы пропускания, однако они находят применение в диапазоне УКВ, где требуется достаточно широкая полоса П при малой избирательности.

Для расширения полосы пропускания величину расстройки Df следует увеличить. Однако при этом увеличивается провал частотной характеристики на резонансной (промежуточной) частоте.

2. Многоконтурныеполосовые усилители.

Чтобы ликвидировать провал частотной характеристики на промежуточной частоте, к каждой паре каскадов добавляется третий, резонансная частота которого равна промежуточной частоте. В этом случае частотная характеристика будет иметь вид трёхгорбой кривой, как показано на рис.9.13:

Рис. 9.13. Резонансные характеристики усилителя с тройкой каскадов:

а) для первого каскада; б) для второго каскада; в) для третьего каскада;

г) общая.

Другим способом повышения коэффициента прямоугольности является применение в каждом каскаде усилителя системы связанных контуров. Таких контуров, в зависимости от назначения приёмника, может быть несколько.

Существует достаточно большое количество вариантов многоконтурных полосовых усилителей. Одним из наиболее распространённых вариантов полосовых усилителей, применяемых в современных радиоприёмных устройствах, являются фильтры сосредоточенной селекции (ФСС). Они состоят из трёх-четырёх связанных колебательных контуров, которые ставятся на входе УПЧ и в основном формируют его АЧХ. В качестве ФСС в настоящее время широко применяются пьезоэлектрические и ультразвуковые фильтры. В них благодаря прямому и обратному пьезоэлектрическому эффекту или явлению магнитострикции АЧХ формируется в системе из нескольких механических резонаторов.

Подробнее ФСС будут рассмотрены в курсе радиоприёмных устройств.