Избирательные усилители

В обычных широкополосных усилителях переменного тока стремятся полу­чить нижнюю граничную частоту f_н как можно меньше, а верхнюю f_в — как можно больше. В усилителях с емкостной связью . В усилителях постоянного тока это отношение стремится к бесконечности.

Избирательные усилители, в отличие от широкополосных, предназначены для усиления сигналов в некоторой узкой полосе частот, т.е. усиление у них избирательно по частоте. Поэтому такие усилители можно отнести к классу активных полосовых фильтров. Избирательные усилители очень широко используются в радиотехнике, телемеханике и технике связи, где необходимо выделение одного полезного сигнала из большого количества совместно принимаемых сигналов.

Избирательные усилители называют еще селективными.

Вид частотной характеристики избирательного усилителя показан на рис. 2.70. Как видно из рисунка, максимальное усиление обеспечивается на частоте селекции f₀ и уменьшается как при возрастании, так и при уменьшении частоты. Нижняя f_н и верхняя f_в граничные частоты определяются как такие, на которых усиление падает в раз. Отношение боковых частот в избирательных усилителях незначительно больше 1 (1,001–1,1). Селективность усиления оценивается добротностью:

Численное значение добротности на практике составляет от нескольких десятков до нескольких сотен. Чем выше добротность, а, следовательно, и избирательность усилителя, тем лучше можно отстроиться от помех и посторонних сигналов, но при этом возникает проблема обеспечения температурной и временной стабильности положения узкой полосы пропускания на частотной шкале.

Все избирательные усилители можно разделить на два класса: усилители с частотно-избирательной нагрузкой и усилители с частотно-избирательной обратной связью. В первых, частотный фильтр включается в прямую цепь усиления, а во вторых — в цепь обратной связи.

На частотах свыше примерно 10–20 кГц наиболее применяемы избирательные усилители с частотно-избирательной нагрузкой в виде параллельного колебательного LC-контура, называемые еще резонансными. На низких частотах применение их ограничено в связи с ростом габаритов и массы индуктивности контура.

Схема резонансного усилителя показана на рис. 2.71. Связь колебательного контура с нагрузкой усилителя, которой обычно является сопротивление последующего каскада усиления, может быть трансформаторной, автотрансформаторной или емкостной через разделительный конденсатор, как это приведено на рисунке. Частотно-зависимый фильтр представляет собой параллельный колебательный контур, резонансная частота которого определяется значениями L и С:

На резонансной частоте сопротивление контура велико и коэффициент усиления каскада максимален. На низкой частоте увеличивается шунтирующее действие индуктивности, а на высокой — емкости, при этом усиление снижается. На резонансной частоте контур учитывается активным сопротивлением:

где - характеристическое сопротивление контура, а r - суммарное сопротивление потерь в индуктивности и емкости.

Сопротивления R₀ и r определяют добротность контура:

С учетом транзистора и нагрузки на переменном токе эквивалентное активное сопротивление коллекторной нагрузки будет:

Здесь r_к(э) выходное коллекторное сопротивление транзистора в схеме ОЭ. При этом эквивалентная добротность уменьшится по сравнению с Q:

Вид частотных характеристик для различных значений добротности показан на рис. 2.72. На частотах 50 кГц–1 МГц значения Q могут достигать 200–250, а при использовании индуктивности с ферритовым сердечником — до 500. На частотах более 5 МГц значения добротности падают из-за влияния вихревых потерь в индуктивности и диэлектрических потерь в емкости.

Иногда в резонансных усилителях для устранения возможности самовозбуждения из-за паразитных положительных обратных связей включают RC-цепи между входом и выходом для нейтрализации этих связей на резонансной частоте.

При работе на низкоомную нагрузку для того, чтобы не шунтировать контур и не снижать добротность, выходное напряжение снимают с дополнительной обмотки (трансформатор) или от части витков этой же обмотки (автотрансформатор). При этом для получения большого приведенного сопротивления R_н¢ >> R_н применяют понижающие трансформаторы с большим коэффициентом трансформации.

В низкочастотном диапазоне спектра (до 10 кГц) узкополосные усилителя выполняют с обратными связями через частотно-зависимые RC-цепи. На рис. 2.73 показана структурная схема избирательного усилителя с частотно-зависимой обратной связью. Коэффициент передачи b пени обратной связи зависит от частоты и минимален на частоте селекции f₀. На частотах, отличных от f₀, действие отрицательной обратной связи уменьшает коэффициент усиления усилителя. Могут использоваться различные частотно-зависимые цепи. Наиболее часто употребляется цепь в виде двойного T-образного моста. Принципиальная схема избирательного усилителя на ОУ с двойным T-мостом показана на рис. 2.74. Значение частоты селекции определяется параметрами Т-моста:

Коэффициент усиления усилителя зависит от частоты таким образом, что при f = f₀ когда b = 0, значение его максимально и значительно больше единицы, а при очень низких и очень высоких частотах, когда b = 1, значение его минимально и приближается к единичному.

Избирательность усилителя определяется эквивалентной добротностью и тем больше, чем больше коэффициент усиления усилителя и чем больше добротность Q_RC двойного Т-моста. Поэтому даже при небольшой добротности моста можно получить высокую избирательность усилителя, если выбрать усилительный элемент (в нашем случае ОУ) с большим усилением.