Электроника в вопросах и ответах

Какие усилители называются резонансными?

Резонансными усилителями называются усилители, предназначенные для усиления сигналов, спектр которых сосредоточен вблизи средней частоты f₀. На рис. 9.1 изображены амплитудные характеристики усилителей обоих типов. Амплитудная характеристика резонансного усилителя находится вблизи средней частоты f₀, на которой коэффициент усиления по напряжению K_u/К_u0 является максимальным. Поэтому резонансный усилитель обладает свойством избирательного усиления определенной полосы частот. Отсюда происходит и аналогичное название резонансного усилителя — избирательный усилитель. Термин резонансный усилитель основывается на том, что для получения рассматриваемой амплитудной характеристики используется явление резонанса в контурах, состоящих из индуктивности и емкости. Контуры этого типа требуют настройки на определенную частоту.

Рис. 9.1. Амплитудные характеристики усилителей:

_{а — нерезонансного; б — резонансного}

Где применяют избирательные усилители?

Как уже упоминалось, они используются в тех случаях, когда предназначенный для усиления сигнал обладает спектром, сосредоточенным вблизи некоторой частоты. Такого рода сигналы чаще всего получают при модуляции (см. гл. 11), заключающейся в «маркировке» колебания несущей частоты (сигнала высокой частоты f₀) полезным модулирующим сигналом, например звуковым или изображения. Наложение полезного сигнала на несущее колебание используется в том случае, когда информация передается по кабельному или радиотракту на большие расстояния и для эффективной передачи необходимо использование высокой частоты.

Модулированный сигнал высокой частоты, попадающий на вход приемного устройства, обычно очень слабый, и в связи с этим его необходимо усиливать. Поэтому в, каждом приемнике, радиовещательном, телевизионном или радиолокационном, необходимо использовать резонансный усилитель, предназначенный для усиления несущего сигнала совместно со всем спектром частот, возникающих в процессе модуляции.

Что понимается под избирательностью резонансного усилителя?

Избирательность усилителя определяет его способность исключать нежелательные сигналы. В общем требуется, чтобы усилитель усиливал сигналы в определенной полосе частот, но в то же время не пропускал сигналы, находящиеся вне этой полосы. Если речь идет о максимальной избирательности, то идеальной была бы амплитудная характеристика усилителя прямоугольной формы. Помимо невозможности получить такую характеристику резкие спады характеристики не всегда приемлемы по другим причинам, в частности из-за сопутствующих им фазовых искажений.

Характеристика избирательности изображена на рис. 9.2.

Рис. 9.2. Характеристика избирательности резонансного усилителя

Ширину полосы пропускания В усилителя определяют точки по уровню 3 дБ спада усиления, отмечающие нижнюю и верхнюю граничные частоты, аналогично случаю нерезонансных усилителей. За этими точками характеристика монотонно спадает. На рисунке показана также идеальная прямоугольная характеристика избирательности.

Сторона прямоугольника, параллельная оси частот, обозначает полосу пропускания, в пределах которой усиление не меняется.

Стороны, перпендикулярные оси частот и отмечающие на этой оси граничные частоты, являются пределами, за которыми усиление равно нулю. За количественную меру избирательности, в особенности узкополосного усилителя, часто принимается коэффициент прямоугольности р, определяемый отношением ширины полосы пропускания при уменьшении коэффициента усиления на 3 дБ к ширине полосы при падении коэффициента усиления на 20 дБ. Часто избирательность определяется затуханием на несущих частотах соседних каналов, которые могут являться помехами усиливаемому сигналу.

Какой усилитель называется узкополосным, а какой широкополосным?

Ширина полосы частот, занимаемая усиливаемым сигналом, зависит от вида модуляции и полосы частот модулирующего сигнала. С этой точки зрения узкополосным резонансным усилителем является усилитель сигнала с модуляцией звуковым сигналом, а широкополосным — усилитель сигнала с модуляцией сигналом изображения.

Из-за сложностей выполнения резонансного усилителя принципиальное значение при отнесении усилителя к первой или второй группе имеет отношение средней частоты f₀ к ширине полосы В. Когда это отношение достаточно велико (больше 10), усилитель считается узкополосным, в противном случае (f₀/B < 6) — широкополосным. Более точно указать границу, разделяющую эти две группы усилителей, затруднительно.

В соответствии с указанным определением усилитель, работающий на средней частоте f₀ = 600 МГц и имеющий полосу, соответствующую модулирующему сигналу изображения (В = 6 МГц), является узкополосным, а при f₀ = 20 МГц — широкополосным. — Прим. ред.

Какими параметрами характеризуется резонансный усилитель?

Основными параметрами резонансного усилителя являются коэффициент усиления, форма частотных характеристик, избирательность, а также устойчивость и постоянство работы (рабочих характеристик).

Для узкополосных усилителей обычно несущественна фазочастотная характеристика, в то же время принципиальное значение имеют устойчивость и постоянство рабочих характеристик, которые обусловливают малое влияние внешних и внутренних факторов на коэффициент усиления и форму частотной характеристики.

В связи с этим площадь усиления используемых активных элементов реализуется не полностью. Коэффициент усиления не может быть очень высоким, исходя из возможности возникновения генерации либо уменьшения устойчивости схемы, вызванных наличием внутренних ОС в усилительных элементах.

В широкополосных усилителях проблема устойчивости является менее критичной, так как при постоянной площади усиления (произведения GВ) коэффициент усиления ограничен большой полосой пропускания. В то же время принципиальное значение имеет форма амплитудной и фазовой характеристик, определяющая свойства усилителя.

Избирательность в общем более важный параметр для узкополосных усилителей, чем для широкополосных.

Какие активные элементы применяют в резонансных усилителях?

Активными элементами в резонансных усилителях являются лампы, транзисторы и интегральные микросхемы. Каждый из этих элементов обладает определенными свойствами, которые существенным образом влияют на схемное и конструктивное решение усилителя. Широко применявшиеся до недавнего времени электронные лампы характеризовались достоинствами, непосредственно вытекающими из способа управления ими по напряжению. В диапазоне не очень высоких частот, где входное сопротивление лампы не зависит от времени пролета электронов и индуктивности выводов, лампа практически не вносит затухания в резонансные контуры, поскольку ее входное и выходное сопротивления велики. Свойства усилителя в этом случае зависят лишь от нагрузки (резонансных контуров).

Проблема устойчивости ламповых усилителей менее остра из-за меньшей «прозрачности» лампы вследствие небольших «обратных» емкостей. В настоящее время лампы почти полностью вытеснены транзисторами и используются только в мощных устройствах (например, в передатчиках).

Применяемые в резонансных усилителях транзисторы характеризуются высокой граничной частотой, большим значением крутизны S и относительно малой «обратной» емкостью. Однако эта емкость больше, чем у ламп, и поэтому транзисторные усилители, особенно узкополосные, требуют тщательного анализа устойчивости, что чаще всего вызывает ограничение допустимого значения коэффициента усиления.

Следует добавить, что высокая «прозрачность» усилителя может быть источником неприятностей при настройке схемы, поскольку отдельные контуры и транзисторы могут влиять друг на друга. В отличие от ламп транзисторы вносят в резонансные контуры относительно большое затухание, являющееся результатом малого входного сопротивления транзистора. В связи с этим резонансные контуры помимо формирования частотной характеристики должны также обеспечивать согласование для получения большого усиления. Необходимость выполнения этого условия влечет за собой специальную разработку резонансных контуров.

У широкополосных транзисторных усилителей дополнительную трудность при соответствующем выполнении усилителя создает тот факт, что параметры транзистора нельзя считать постоянными в широкой полосе частот. Возможные изменения параметров должны корректироваться внешними цепями

В современных резонансных усилителях применяются и интегральные микросхемы. Интегральные микросхемы, выполняющие функции усилителей высокой частоты, являются широкополосными (примерно до 100 МГц) апериодическими (нерезонансными) усилителями. Их роль ограничивается усилением сигнала, прошедшего через схему, состоящую из многих резонансных контуров и формирующую частотную характеристику.

Общей чертой активных элементов, применяемых в резонансных усилителях малых сигналов, является их работа в режиме класса А. Нелинейные искажения усилителен малы, поскольку сигналы на частотах гармоник, лежащих вне полосы пропускания, оказываются подавленными.

Какие типы нагрузок применяют в резонансных усилителях?

В резонансных усилителях, предназначенных для селективного усиления сигналов, применяют самые различные LC-резонансные контуры, выполняющие роль фильтрующих цепей. Резонансные фильтры могут быть типа двухполюсника (одиночный параллельный резонансный контур) или четырехполюсника. Последние могут быть одно-, двух- или многозвенными. В случае многокаскадных усилителей фильтры, являющиеся нагрузкой отдельных каскадов, могут быть настроены на одну либо на разные частоты. В первом случае усилитель называется синхронным, во втором — асинхронным или многорезонансным.

Индуктивные элементы фильтров (катушки индуктивности), работающие в диапазоне от 100 кГц до 100 МГц, выполняют в виде корпусов с навивкой, снабженных магнитным (ферритовым) сердечником, который служит для перестройки катушки. В диапазоне более высоких частот (от нескольких сотен мегагерц) применяют резонансные контуры с распределенными постоянными, такие как отрезки линий передачи, т. е. отрезки двухпроводных линий и объемные резонаторы.

Следует добавить, что в диапазоне частот ниже 100 кГц используют избирательные RС-цепи в схемах с ОС, поскольку индуктивные элементы, работающие в этом диапазоне частот, являются большими по размерам и трудновыполнимыми

Как можно классифицировать резонансные усилители?

Ответ на этот вопрос не прост, так как существует очень много критериев, согласно которым можно подразделить резонансные усилители. К ним относятся тип активного элемента, тип фильтрующей цепи, рабочий диапазон частот, способ получения заданной частотной характеристики, форма частотных характеристик, назначение усилителя и др. За главные критерии примем вид фильтрующей цепи и способ получения заданной частотной характеристики. В связи с этим резонансные усилители будем подразделять на усилители с одиночными резонансными контурами и двух- или многорезонансными полосовыми фильтрами, а также синхронные и многорезонансные усилители.

Какой резонансный усилитель наиболее простой?

Наипростейшей схемой резонансного усилителя является схема с одиночным резонансным контуром, включенным непосредственно в выходную цепь активного элемента. На рис. 9.3 представлены ламповый и транзисторный усилительные каскады, нагруженные параллельным резонансным контуром. По виду они не отличаются от нерезонансного усилительного каскада. Единственное отличие заключается в использовании резонансного контура в качестве нагрузки.

Рис. 9.3. Ламповый (а) и транзисторный (б) усилительные каскады с одиночным резонансным контуром

Так же как и для нерезонансного усилителя, коэффициент усиления каскада зависит от крутизны характеристики активного элемента S и сопротивления нагрузки Z (К_u = S·Z). Поскольку крутизна имеет постоянное значение, вид коэффициента усиления от частоты определяется исключительно зависимостью сопротивления Z от частоты.

На рис. 9.4 показана зависимость сопротивления контура Z, а следовательно, и коэффициента усиления каскада от частоты. Из рисунка видно, что зависимость аналогична характеристике параллельного резонансного контура, состоящего из индуктивности L и параллельно подключенной к ней емкости С. Эта емкость состоит из емкости конденсатора и суммы емкостей: выходной активного элемента, входной емкости следующего каскада, собственной емкости катушки индуктивности и емкостей рассеяния.

Рис. 9.4. Зависимость сопротивления Z параллельного резонансного контура от частоты

Максимум усиления имеет место на резонансной частоте контура (f₀ = 1/2π√(L·C)) и составляет

К_u = — Sω₀LQ_эф

где ω₀ = 2πf₀ — резонансная круговая частота; Q_эф — результирующая добротность контура. Знак минус обозначает инверсию фазы выходного напряжения на 180° относительно входного.

Из приведенной зависимости следует, что усиление прямо пропорционально результирующей добротности контура Q_peз. Результирующая добротность контура Q_peз равна собственной добротности резонансного контура, уменьшенной из-за затухания, связанного с выходным сопротивлением активного элемента, и подключенного дополнительного гасящего сопротивления.

От результирующей добротности Q_peз зависит также избирательность усилителя. Из рис. 9.5 следует, что чем больше добротность, тем «острее» резонансная кривая и тем усилитель более избирателен.

Рис. 9.5.Амплитудная характеристика усилителя с одиночным резонансным контуром при разных значениях его добротности Q

Ширина полосы пропускания усилителя В или 2Δf соответствующая снижению усиления на 3 дБ, обратно пропорциональна добротности Q_эф:

2Δf = В = f₀/Q_peз

Следовательно, чем больше добротность Q_peз, тем уже полоса пропускания усилителя, но одновременно больше усиление. Подключая параллельно резонансному контуру сопротивление R, можно регулировать его добротность и тем самым влиять на ширину полосы пропускания усилителя. При этом не следует забывать, что коэффициент усиления также подвергается изменению. В связи с этим в случае широкополосных усилителей номинальное усиление на каскад получается меньшим.

Можно ли усилитель с одиночным контуром непосредственно сопрягать со следующим каскадом?

Помимо сложностей, связанных с разделением постоянных напряжений, действующих во входной и выходной цепях, не всегда можно подвести к следующему каскаду все переменное напряжение, действующее на резонансном контуре. Для ламп это возможно. Используя конденсатор связи с достаточно большой емкостью, такой, чтобы его емкостное сопротивление было малым на рабочей частоте усилителя, мы передаем все переменное напряжение, действующее на резонансном контуре, на сетку следующего каскада (рис. 9.6).

Рис. 9.6. Усилитель с одиночным резонансным контуром, связанный со следующим каскадом

Входное сопротивление лампы достаточно велико, особенно в диапазоне частот до 30 МГц, и не влияет отрицательно на добротность контура.

Для транзисторных усилителей ситуация совершенно иная. Транзистор как элемент, управляемый током, характеризуется низким входным сопротивлением[22]. Соединение коллектора с базой транзистора следующего каскада с помощью конденсатора с пренебрежимо малым реактивным сопротивлением вызвало бы значительное затухание в резонансном контуре, уменьшение его добротности и в результате расширение полосы пропускания усилителя с одновременным уменьшением коэффициента усиления. Поэтому в транзисторных усилителях необходимо согласовать высокое выходное сопротивление транзистора с низким входным сопротивлением последующего каскада. Задачу согласующих цепей выполняют модифицированные резонансные контуры, которые не только устанавливают требуемую среднюю частоту f₀ и соответствующую ширину полосы, но также трансформируют сопротивление.

На рис. 9.7 представлены три способа согласования сопротивления в транзисторных усилителях. В схеме на рис. 9.7, а использован емкостный делитель. Результирующая емкость последовательного соединения конденсаторов С₁ и С₂ является емкостью контура, причем в емкости конденсатора С₂ следует учитывать входную емкость последующего резонансного каскада. Отношение суммы емкостей конденсаторов С₁ и С₂ к емкости конденсатора С₁ определяет коэффициент передачи, с которым входное сопротивление трансформируется в цепь коллектора. Аналогично действуют и другие схемы с тон разностью, что в схеме рис. 9.7, б коэффициент передачи определяется положением отвода на катушке индуктивности, а в схеме рис. 9 7, в — коэффициентом связи между первичной и вторичной обмотками Конденсаторы С_б характеризуются большой емкостью и служат только для разделения постоянных напряжений, действующих на коллекторе и базе следующего транзистора.

Рис. 9.7. Три способа согласования сопротивления в транзисторных усилителях:

_{а — с емкостным делителем; б — с отводом от катушки индуктивности; в — трансформаторный}

Как работает простейший резонансный усилитель с двухзвенным фильтром?

Транзисторный усилительный каскад с двухзвенным фильтром представлен па рис. 9.8, а. От схемы на ряс. 9.3 он отличается использованием вместо одиночного резонансного контура двухзвенного фильтра, состоящего из двух связанных резонансных контуров.

Связью контуров называется такое состояние контуров, при котором возможна передача энергии из одного контура в другой.

В рассматриваемом случае энергия из первого контура передается во второй посредством взаимной индуктивности М. Оба контура настроены на среднюю частоту f₀. В результате взаимной связи между контурами каждый из них воздействует на другой, перестраивает его и вносит затухание. Напряжение на выходе контура, являющееся одновременно выходным напряжением всего фильтра, зависит не только от частоты, как в случае одиночного резонансного контура, но также от степени связи контуров.

Количественной мерой связи контуров является коэффициент связи, который для контуров, связанных взаимной индуктивностью М, выражается зависимостью

где М — взаимная индуктивность; L₁ — индуктивность первичного контура, L₂ — индуктивность вторичного контура. Если коэффициент связи мал, то амплитудная характеристика усилителя подобна характеристике одиночного резонансного контура.

С увеличением коэффициента связи вершина характеристики становится все более плоской и при определенном значении коэффициента связи, называемом оптимальным, становится максимально плоской. Оптимальное значение коэффициента связи зависит от добротности первого и второго контуров и для равных добротностей Q₁ = Q₂ = Q выражается формулой χ_опт = 1/Q. Увеличение связи свыше оптимального значения вызывает уменьшение выходного напряжения на резонансной частоте f₀ и возникновение выше и ниже этой частоты локальных резонансов, называемых «горбами» характеристики.

На рис. 9.8, б показан вид частотных характеристик усилителя с двухзвенным фильтром для случая одинаковых добротностей контуров и разных коэффициентов связи. При χ/χ_опт = 1 кривая максимально плоская и коэффициент усиления на частоте f₀ наибольший.

Для значений х/х_опт > 1 кривые становятся двугорбыми, причем максимальное усиление, равное максимальному усилению при х_опт, соответствует горбам характеристики. Чем сильнее связь, тем больше удаление горбов от резонансной частоты f₀. Напряжение, действующее на втором контуре фильтра, включенном как нагрузка транзисторного усилителя (рис. 9.8, а), может быть подведено к следующему транзисторному каскаду. Однако, как и в случае одиночного резонансного контура, следует использовать емкостный делитель, позволяющий согласовать низкое входное сопротивление транзистора с сопротивлением контура.

Рис. 9.8. Схема (а) и амплитудные характеристики (б) резонансного усилителя с двухзвенным фильтром

Какие преимущества у двухзвенного фильтра?

Основным преимуществом двухзвенного фильтра по сравнению с одиночным резонансным контуром является его большая избирательность и форма частотной характеристики вблизи резонансной частоты. Одиночный резонансный контур не имеет плоской части характеристики, тогда как двухзвенный фильтр с оптимальной связью вблизи резонансной частоты характеризуется постоянной амплитудой напряжения на выходе. Поэтому двухзвенный фильтр в значительно большей степени, чем одиночный резонансный контур, аппроксимирует прямоугольную частотную характеристику.

Дополнительным преимуществом, не всегда используемым при проектировании усилителя с двухзвенным фильтром, является большая площадь усиления усилителя. Можно допустить, что коэффициент усиления усилителя с двухзвенным фильтром с оптимальной связью при одинаковой ширине полосы в √2 раз больше, чем для усилителя с одиночным резонансным контуром. Следует добавить, что при разных добротностях первого и второго контуров фильтра площадь усиления может увеличиться в 2 раза, если Q₁ >> Q₂ или Q₂ >> Q₁. Важным свойством фильтров с несимметричными контурами (Q₁ не равно Q₂) является то, что максимально плоская характеристика при оптимальной связи x_опт не соответствует максимальной амплитуде выходного напряжения, имеющей место при критической связи x_кр < x_опт. Для симметричных контуров (Q₁ = Q₂) x_кр = x_опт.

В узкополосных усилителях площадь усиления из-за стабильности усилителя не имеет решающего значения, и поэтому в них чаще применяют симметричные контуры. Наоборот, в широкополосных усилителях, для которых очень важно значение площади усиления, применяют также контуры с неодинаковыми добротностями, отличающимися одна от другой в 2–5 раз.

Только ли с помощью взаимной индуктивности М можно осуществить связь контуров в фильтре?

Нет. Связь с помощью взаимной индуктивности М является лишь одним из методов связи контуров в фильтре. Эта связь может быть заменена индуктивной или емкостной связью. На рис. 9.9 показаны схемы двухзвенных фильтров с различными типами связи.

Рис. 9.9. Различные способы связи в двухзвенных фильтрах:

_{а, б — индуктивная; в, г— емкостная}

Свойства всех этих схем аналогичны, если их коэффициенты связи одинаковы. Очевидно, что формулы, определяющие коэффициенты связи, зависят от типа связи. Например, в схеме на рис 9,9, в коэффициент связи определяется как

x = C₁₂/√(C₁·C₂)

Резисторы R₁ и R₂ определяют добротности контуров, соответственно первого и второго.

Выбор типа связи диктуется в первую очередь конструктивными соображениями.

Применяют ли в резонансных усилителях многозвенные фильтры?

Да. Помимо простейших двухзвенных фильтров применяют также более сложные трех- и четырехзвенные фильтры. Они позволяют получать более высокую избирательность усилителя и обеспечивают плоскую или равномерную частотную характеристику в относительно большом диапазоне частот. На рис. 9.10 показан трехзвенный фильтр с емкостной связью и четырехзвенныи фильтр с индуктивной связью. К недостаткам многозвенных фильтров следует отнести сложную настройку

Рис. 9.10. Многозвенные фильтры

_{а — трехзвенный фильтр с емкостной связью; б — четырехзвенный фильтр с индуктивной связью}

Как изменяется ширина полосы пропускания усилителя в результате каскадного соединения отдельных ступеней?

Для получения большого коэффициента усиления часто возникает необходимость каскадного соединения резонансных ступеней. Как и в случае нерезонансных усилителей, каскадному соединению усилительных ступеней сопутствует уменьшение общей ширины полосы пропускания усилителя. Это очевидно, поскольку частотные характеристики отдельных ступеней подвергаются перемножению, и если усиление на краях полосы одного каскада составляет 0,707 максимального (что соответствует падению усиления на 3 дБ), то в случае двух одинаковых ступеней, включенных каскадно, усиление на данной частоте составит лишь 0,707·0,707 = 0,5, т. е. падению усиления до 0,707 соответствует меньшая частота.

Сужение полосы зависит от формы характеристик соединяемых каскадно ступеней. Оно различно для усилителей с одиночными резонансными контурами и усилителей с двухзвенными фильтрами. Чем больше крутизна скатов частотной характеристики, тем меньше сужение полосы при каскадном включении. Если бы можно было выполнить усилитель с идеально прямоугольной характеристикой, то при каскадном соединении ступеней сужения полосы не наблюдалось бы.

Какой усилитель называется синхронным и каковы его свойства?

Синхронным усилителем называют многокаскадный усилитель, полученный путем каскадного соединения нескольких ступеней. Все контуры в нем настроены на одну частоту. В синхронных усилителях результирующее усиление является произведением коэффициентов усиления отдельных каскадов на резонансной частоте f₀, а ширина полосы подвергается уменьшению в зависимости от вида использованных контуров и числа ступеней. Так, у одиночных резонансных контуров ширина полосы двухкаскадного усилителя составляет 0,64 полосы одиночного каскада, а ширина полосы трехкаскадного усилителя составляет лишь 0,51 полосы одиночного каскада. Отсюда следует, что при заданной требуемой полной ширине полосы пропускания полоса каждого каскада должна быть соответственно больше.

Аналогично можно показать, что у двухзвенных фильтров с одинаковыми добротностями контуров и оптимальной связью ширина полосы пропускания двухкаскадного и трехкаскадного усилителей составляет соответственно 0,80 и 0,71 полосы одиночного каскада. И в этом случае при заданной требуемой полной ширине полосы пропускания ширина полосы каждого каскада должна быть большей.

Из рассмотренных свойств синхронных усилителей следует, что они могут быть применены в том случае, когда нет необходимости использовать полную площадь усиления каждого каскада. Поэтому метод синхронной настройки применяется для узкополосных усилителей.

Что такое асинхронный усилитель?

Асинхронным усилителем обычно называют многокаскадный усилитель, в котором отдельные каскады не одинаковы, как у синхронного усилителя, а отличаются друг от друга частотой настройки, а иногда и шириной полосы. Усилители, настроенные асинхронно, позволяют получить большее усиление и лучшую избирательность, чем усилители, настроенные синхронно, и, кроме того, дают возможность формирования частотной характеристики другим способом. Последнее свойство имеет большое значение для широкополосных усилителей, которые в зависимости от применения могут иметь частотные характеристики плоские, равномерно волнистые или максимально соответствующие линейной фазе.

Метод асинхронной настройки применяют в основном для широкополосных усилителей исходя из возможности получения большего усиления при заданной ширине полосы, чем при использовании метода синхронной настройки.

Как работает асинхронный усилитель?

Рассмотрим простейший асинхронный усилитель, состоящий из двух усилительных каскадов (рис. 9.11).

Рис. 9.11. Двухкаскадный асинхронный усилитель

Каждый каскад содержит резонансный контур, настроенный на разную частоту по принципу асинхронной настройки. Исходя из существования в асинхронном усилителе по крайней мере двух резонансных частот усилители этого типа называют многорезонансными усилителями или усилителями с расстроенными контурами. На рис. 9.12 представлены амплитудные характеристики отдельных каскадов и результирующая характеристика всего усилителя.

Рис. 9.12. Амплитудные характеристики асинхронного усилителя с двумя расстроенными контурами:

_{1, 2 — отдельных каскадов; 3 — результирующая}

Каждый каскад усиливает сигнал в определенной полосе частот относительно частоты настройки резонансного контура. При соответствующем выборе ширины полос контуров результирующая характеристика имеет плоскую вершину и форму, соответствующую амплитудно-частотной характеристике одного каскада с двухзвенным фильтром с оптимальной связью.

Аналогичным образом может быть выполнен трехкаскадный усилитель. В этом случае результирующая характеристика (рис. 9.13) образуется путем суммирования характеристик трех резонансных контуров, один из которых с меньшей добротностью настроен на среднюю частоту усилителя, а два других с большей добротностью на частоты, лежащие симметрично ниже и выше этой частоты. Результирующая характеристика соответствует амплитудно-частотной характеристике одного каскада с трехзвенным фильтром.

Рис. 9.13. Амплитудные характеристики асинхронного усилителя с тремя расстроенными контурами:

_{1, 2, 3 — отдельных каскадов; 4 — результирующая характеристика}

На основании рассмотренных случаев можно сделать вывод, что в многорезонансном усилителе для получения симметричной амплитудно-частотной характеристики отдельные каскады должны быть сгруппированы в пары с одинаковой добротностью и резонансными частотами, симметричными относительно средней частоты f_э. При нечетном числе каскадов один из них должен быть настроен на среднюю частоту f₀.

В результате расстройки контуров в многокаскадном усилителе получают усилитель, полосовые свойства и форма частотной характеристики которого соответствуют каскадам с двух-, трех- и n-звенными фильтрами. Что касается усиления, то оно больше, чем усиление синхронной схемы, имеющей ту же самую ширину полосы пропускания.

Как работает усилитель с расстроенными двухзвенными фильтрами?

При каскадном включении усилительных каскадов с двухзвенными фильтрами происходит, как известно, уменьшение результирующей ширины полосы пропускания усилителя, в связи с чем для получения заданной ширины полосы каждый каскад должен иметь соответственно бóльшую полосу. Это отрицательно влияет на общий коэффициент усиления всего усилителя.

Для поддержания на максимальной уровне произведения коэффициента усиления на ширину полосы пропускания применяют метод различного формирования характеристик отдельных каскадов, так чтобы при их пересчете результирующая характеристика была максимально плоской. По аналогии с многорезонансными усилителями (с расстроенными контурами) этот метод называют методом расстройки полосовых фильтров, хотя он основан не на настройке отдельных фильтров на разные частоты, а лишь в обеспечении у них разного затухания.

Способ получения максимально плоской амплитудной характеристики из трех различных характеристик отдельных каскадов в трехкаскадном усилителе с двухзвенными фильтрами показан на рис. 9.14. Видно, что в одном из каскадов фильтр имеет оптимальную связь, в другом — сильнее оптимальной, в третьем — более слабую, чем оптимальная.

Рис. 9.14. Амплитудные характеристики с тремя двухзвенными фильтрами при различной связи:

_{1 — X < Xопт; 2 — X = Xопт; 3 — X > Xопт; 4 — результирующая характеристика}

Что такое усилители высокой и промежуточной частот?

Усилители высокой и промежуточной частот являются полосовыми усилителями, применяемыми в приемных устройствах, например в радиоприемнике, телевизоре, радиолокационном приемнике и т. п., которые работают на принципе преобразования частоты (см. гл.11).

Усилитель высокой частоты служит для усиления слабых сигналов, принятых антенной, и поэтому должен иметь малые шумы. Ширина полосы пропускания усилителя высокой частоты может быть различной в зависимости от назначения приемника: от нескольких килогерц в радиовещательном приемнике сигналов с амплитудной модуляцией до нескольких мегагерц в телевизионном приемнике. Усилители высокой частоты обычно являются настраиваемыми.

Усилители промежуточной частоты служат для усиления сигнала промежуточной частоты, полученной в результате преобразования сигнала высокой частоты. Основными параметрами этого усилителя являются коэффициент усиления и избирательность. Последняя обеспечивается путем соответствующего подбора фильтров. Например, в телевизионном приемнике — это многозвенные фильтры или расстроенные двухзвенные фильтры, которые являются нагрузкой отдельных каскадов многокаскадного усилителя.

Что такое резонансный усилитель, работающий в режиме класса С?

Резонансный усилитель класса С является высокочастотным усилителем мощности, предназначенным прежде всего для усиления несущей частоты передатчиков. В зависимости от типа передатчика усилители класса С обеспечивают мощности от нескольких ватт до нескольких сотен киловатт. Нагрузкой усилителя обычно служит соответствующим образом согласованная передающая антенна.

Усилитель класса С может быть создан на транзисторе или на лампе, причем выбор одного из этих активных элементов зависит от вида устройства и заданной выходной мощности. Самые мощные усилители обычно выполняют на лампах.

Как работает усилитель класса С?

Схема усилителя мощности класса С похожа на схему резонансного усилителя напряжения. Рассмотрим ламповую схему, представленную на рис. 9.15.

Рис. 9.15. Усилитель мощности класса С

Анодное напряжение подводится через дроссель высокой частоты, а резонансный контур развязан от анода конденсатором. Передача мощности в нагрузку осуществляется обычно на принципе использования индуктивной связи. Одновременно эта связь служит для энергетического согласования нагрузки с лампой.

Принципиальная разница между усилителем напряжения и усилителем мощности класса С состоит в том, что лампа в усилителе мощности работает при большем отрицательном напряжении на сетке, чем напряжение отсечки анодного тока. В результате, если на сетку подастся переменное напряжение, анодный ток будет протекать в виде импульсов, длительность которых меньше половины периода частоты напряжения, подведенного к сетке. Из-за того что резонансный контур настроен на частоту возбуждающего усилитель напряжения, усиливаться будет лишь основная составляющая возбуждающего напряжения. Поскольку высшие гармоники этого напряжения сильно подавляются резонансным контуром, напряжение на контуре имеет синусоидальную форму, а его частота равна частоте возбуждающего напряжения.

Отрицательное постоянное напряжение на сетке обычно получают в схеме так называемого «динамического минуса», возникающего благодаря протеканию сеточного тока, который заряжает конденсатор С_с. Конденсатор С_с разряжается через резистор R_c. Если постоянная времени R_cC_c велика по сравнению с периодом управляющего напряжения, постоянное отрицательное напряжение на сетке почти равно амплитуде управляющего напряжения.

Какое основное преимущество усилителя класса С?

Основным преимуществом усилителя класса С является его высокий КПД, равный отношению выделенной в нагрузке мощности к мощности, подводимой от источника питания.

Высокий КПД усилителя класса С является результатом того, что анодный ток протекает импульсами в моменты, когда мгновенное падение напряжения на лампе мало. Коэффициент полезного действия тем выше, чем меньше та часть периода, в течение которой протекает ток. Если время протекания тоже очень мало, КПД может приближаться к 100 %. Одновременно снижается отдаваемая выходная мощность. Поэтому обычно выбирается компромисс между высоким КПД и отдаваемой мощностью, в связи с чем получаемые на практике значения КПД лежат в пределах 60–80 %.

Высокий КПД усилителя класса С имеет существенное значение при больших мощностях, когда КПД 1 % может соответствовать киловаттам подведенной к усилителю мощности.

Что такое умножитель частоты?

Умножитель частоты — разновидность усилителя класса С, в котором анодный резонансный контур настроен на другую частоту, отличную от частоты возбуждающего напряжения. Поскольку импульсы анодного тока усилителя класса С содержат много гармоник, путем соответствующей настройки анодного контура, например на вторую или третью гармонику, можно получить на выходе усилителя полезную мощность с удвоенной или утроенной частотой возбуждающего напряжения.

Умножители частоты часто используются в измерительных генераторах, устройствах радиосвязи и передатчиках.