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. 2.55).

Полоса пропускания избирательного усилителя 2Δf = f_в. — f_н опреде ляется на уровне

К_Uт / √¯2, где К_Uт — коэффициент усиления при резонансной частоте f₀. Отношение боковых частот для таких усилителей f_в / f_н = 1,001 — 1,1. Селективность усилительных свойств оценивают добротностью

(2.148)

величина которой может составлять десятки и сотни.

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 широко распространены в радиоприемных и телевизионных устройствах, а также в многоканальных системах связи. Здесь они решают задачу настройки приемного устройства на фиксированную частоту принимаемой станции (канал связи), не пропуская сигналы других частот.

Избирательные усилители при частотах свыше десятков килогерц создают введением параллельного колебательного LС-контура в цепь нагрузки усилительных каскадов (резонансные усилители). Низкочастотные узкополосные усилители выполняют с обратными связями через частотно-зависимые RС-цепи.

Пример построения усилительного каскада резонансного усилителя показан на рис. 2.56, 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 (как в приведенной схеме) или трансформатор, первичная обмотка которого определяет индуктивность, колебательного контура.

Качественно характер зависимости коэффициента усиления каскада от частоты вида рис. 2.55 объясняется зависимостью от величины 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.

Рис. 2.56. Схема резонансного усилителя (а), его схемы замещения на резонансной частоте (б, в) и частоте, близкой к резонансной (г)

Это вызывает уменьшение коэффициента усиления каскада.

Коэффициент усиления многокаскадного резонансного усилителя равен произведению коэффициентов усиления входящих в него каскадов. Если частотные характеристики каскадов одинаковы и каскады настроены на одну и ту же резонансную частоту, то частотной характеристике всего усилителя будет соответствовать более узкая полоса пропускания, чем полоса частот отдельных каскадов.

В настоящее время резонансные усилители, как и усилители других типов, применяются преимущественно в интегральном исполнении. Микросхема избирательного усилителя обычно содержит большую часть элементов реализуемой принципиальной схемы (в том числе и конденсаторы малой емкости). Исключение составляют индуктивность L. и емкость С колебательного контура, которые используют в качестве навесных элементов. Для ограничения количества дискретных компонентов широко распространена непосредственная связь между каскадами в усилителе с включением колебательного контура лишь в один из каскадов.

Узкополосные усилители с резонансным контуром создают на частоты свыше десятков килогерц. Для диапазона более низких частот применение резонансных усилителей нерационально из-за больших габаритов элементов LС-контура. В диапазоне звуковых и особенно промышленных частот узкополосные усилители выполняют с обратными связями через частотно-избирательные RС-цепи.

Из частотно-избирательных RС-цепей наибольшее применение получила схема двойного Т - о бразного моста (рис. 2.57, а), отличающаяся высокой частотной селективностью коэффициента передачи напряжения и угла фазового сдвига между напряжениями выхода и входа (рис. 2.57, б). При подходе к некоторой частоте f₀ коэффициент передачи моста 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, С₁ = С₂ =С и С₃ =2С. Частоту настройки f₀ при этом находят из соотношения

Очевидно, для получения частотной характеристики усилителя вида рис. 2.55 двойной Т-образный мост следует включить в цепь отрицательной обратной связи (рис. 2.58, а)

Рис. 2.57. Схема двойного Т-образного моста (а), зависи­мости его коэффициента передачи и угла фазового сдвига от частоты (б)

. Предположим, что используемый усилитель имеет частотную характеристику К_U (f) (рис. 2.58, б) с коэффициентом усиления в области низких и средних частот К_UmПри частотах входного сигнала f, отличных от f₀, коэффициент передачи цепи обратной связи ǽ →1 и сигнал с выхода усилителя полностью передается цепью отрицательной обратной связи на его вход. В усилителе действует глубокая отрицательная связь. Коэффициент усиления усилителя с такой обратной связью близок к единице.

Рис. 2.58 (а) Структурная схема включения двойного Т-образного моста для создания избирательного усилителя

Рис. 2.58 (б) Частотная характеристика избирательного усилителя с двойным Т-образным мостом

По мере приближения к частоте f₀ модуль коэффициента передачи ǽ двойного Т-образного моста уменьшается, что вызывает ослабление отрицательной обратной связи и возрастание коэффициента усиления К_Uос. На частоте f₀ ǽ = 0 и отрицательная обратная связь отсутствует. Коэффициент усиления К_Uос. на этой частоте равен коэффициенту усиления К_Umиспользуемого усилителя.

Добротность Q [см. (2.148)1, характеризующая избирательные свойства усилителя, зависит от селективности цепи обратной связи и коэффициента усиления К_Umусилителя (рис. 2.58, б).

Для рассматриваемого типа усилителей добротность Q = К_Um /4. Для сохранения высокой избирательности двойного Т-образного моста в усилителе необходимо обеспечить режим работы моста по выходу, близкий к холостому ходу, а сигнал подавать от источника с малым внутренним сопротивлением. Иными словами, его следует включать в усилитель между эмиттерными повторителями входного и выходного каскадов. Немаловажную роль играет и точность выбора параметров элементов R, С двойного Т-образного моста. При чрезмерном разбросе параметров элементов характеристики схемы становятся отличными от приведенных на рис. 2.57, что приводит к наруше­нию требуемого режима работы усилителя.

Рис. 2.59. Схема избирательного усилителя на ОУ с двойным Т-об­разным мостом

При построении избирательных усилителей с двойным Т-образным мостом в цепи отрицательной обратной связи удобно использовать схему усилителя с двумя входами (с дифференциальным входным каскадом). На один из входов подается усиливаемый сигнал, а по второму осуществляется отрицательная обратная связь. Цепь обратной связи подключается к тому из входов, для которого выходной сигнал находится в противофазе.

В качестве усилителей могут применяться интегральные усилители постоянного тока и операционные усилители. Пример выполнения схемы избирательного усилителя на ОУ показан на рис. 2.59. Помимо частотно-зависимой отрицательной обратной связи, осуществляемой по инвертирующему входу, в схему включена вещественная отрицательная обратная связь (резистор R_ос), обеспечивающая получение требуемого коэффициента усиления усилителя. При этом К_Um= 1 + R_ос / R₁.