Теоретичні відомості до лабораторної роботи. Вибіркові підсилювачі – це пристрої, що підсилюють сигнали у вузькій смузі частот

Вибіркові підсилювачі – це пристрої, що підсилюють сигнали у вузькій смузі частот. За межами смуги пропускання їх коефіцієнт підсилення різко падає.

Загальним для всіх вибіркових підсилювачів є те, що як колекторне навантаження транзистора в них використовуються ланцюги, опір яких залежить від частоти. Частковим випадком вибіркового підсилювача є резонансний підсилювач, у якому в колі колектора транзистора увімкнено паралельний коливальний LC - контур.

Схема резонансного підсилювача, наведена на рис. 5.1, містить ті ж елементи, що і схема RC -підсилювача (див. лабораторна робота №4). Однак, як колекторне навантаження тут використовується паралельний контур . Відомо, що еквівалентний опір такого контуру залежить від частоти і досягає максимального значення на резонансній частоті (рис. 5.2).

Рис. 5.2. Амплітудно-частотна характеристика резонансного підсилювача

Коефіцієнт підсилення транзистора залежить від опору навантаження в ланцюзі колектора. У зв'язку з цим, характер залежності коефіцієнта підсилення від частоти буде повторювати залежність від частоти, а отже, коефіцієнт підсилення резонансного підсилювача також досягає свого максимуму на резонансній частоті.

Основні параметри та характеристики резонансного підсилювача залежать від параметрів і характеристик резонансного контуру , до яких належать:

1) резонансна частота LC – контуру:

,

2) хвильовий опір контуру:

,

3) добротність:

,

де – опір, що враховує активні втрати енергії в індуктивності і ємності контуру. Цей опір експериментально визначити досить складно, тому добротність часто визначають за експериментально знятою амплітудно-частотною характеристикою, графік якої зображений на рис. 5.2:

,

де – смуга пропускання підсилювача.

Чим більша добротність контуру, тим меншою є його смуга пропускання. Для того, щоб підвищити добротність контуру, необхідно зменшити втрати в ньому (тобто, опір ). Якщо паралельно або послідовно контуру підключити резистор, втрати будуть зростати, а смуга пропускання резонансного підсилювача, відповідно, розширюватися.

Якщо підсилювач працює в режимі класу В або на вході підсилювача в режимі класу А подається вхідний сигнал з (див. лабораторну роботу №4, рис. 4.4), колекторний струм транзистора буде не синусоїдальним (з'являються нелінійні спотворення). Несинусоїдальний струм окрім основної гармоніки містить вищі гармоніки, частоти яких кратні основній. Якщо при цьому резонансна частота LC -контуру збігається із частотою однієї з таких гармонік, то підсилювач буде забезпечувати максимальне підсилення саме для даної гармоніки. У цьому випадку, резонансний підсилювач із всього спектру частот вхідного сигналу виділяє тільки одну гармоніку. Оскільки зі збільшенням номеру гармонік їх потужність швидко зменшується, резонансний підсилювач забезпечує задовільне виділення гармонік не вище п'ятої. Такий режим робота резонансного підсилювача називається режимом множення частоти.

У випадку, коли в процесі роботи підсилювача в режимі множення частоти його вхідна частота змінюється, виникає ситуація, коли амплітудно-частотна характеристика містить декілька максимумів, які відповідають основній та декільком вищим гармонікам вхідної напруги.

В тому випадку, коли в резонансний підсилювач вводиться коло зворотного зв'язку, існує можливість переведення його в режим LC -генератора.

Генератор сигналів – це пристрій, що за допомогою підсилювальних елементів перетворює енергію джерела живлення в електричні коливання заданої частоти і форми.

Залежно від форми генерованих коливань розрізняють генератори:

1) синусоїдальних коливань;

2) релаксаційних коливань (генератори імпульсів).

Будь-який генератор являє собою підсилювач з колом позитивного зворотного зв'язку.

Коло зворотного зв'язку – це штучно створений ланцюг, по якому вихідний сигнал підсилювача (або його частина) подається на його вхід (рис. 5.3).

Рис. 5.3. Структура підсилювача з колом зворотного зв'язку

На рис. 5.3 використано наступні позначення: – коефіцієнт підсилення самого підсилювача – ( - напруга на вході підсилювача); – коефіцієнт підсилення в колі зворотного зв'язку – ( – напруга на виході кола зворотного зв'язку).

Кола зворотного зв'язку класифікуються наступним чином:

1) за видом сигналу – зворотні зв'язки за напругою (напруга зворотного зв’язку пропорційна вихідній напрузі на навантаженні підсилювача) та струмом (напруга зворотного зв’язку є пропорційною до струму навантаження);

2) за способом передавання енергії – паралельний (напруга підключається паралельно з напругою джерела вхідного сигналу ) і послідовний (напруги вмикаються послідовно) зворотний зв’язок.

Найчастіше використовується послідовний зворотний зв’язок за напругою – такий зв’язок стабілізує вихідну напругу підсилювача у випадку зміни опору навантаження (рис. 5.4).

Рис. 5.4. Структурна схема підсилювального каскаду з послідовним зворотним зв’язком за напругою

У схемі, наведеній на рис. 5.4, напруги пов’язані наступним співвідношенням:

.

Якщо – коефіцієнт підсилення кола без зворотного зв’язку, а – коефіцієнт підсилення кола зі зворотним зв’язком, то для схеми рис. 5.4 напруга на виході підсилювача буде розраховуватися наступним чином:

.

Розділивши обидві частини виразу на , отримується вираз для :

, , .

Добуток коефіцієнтів () називається коефіцієнтом зворотного зв’язку – це коефіцієнт, який визначає характер кола зворотного зв’язку.

Додатній зворотний зв’язок – це зворотний зв’язок, при якому коефіцієнт передачі кола зворотного зв'язку і загальний коефіцієнт підсилення збільшується

.

Для схем з додатнім зворотним зв’язком можливий режим, коли на виході існують коливання навіть за відсутності вхідного сигналу, за умови, що коефіцієнт зворотного зв’язку лежить в межах , тобто , або і .

Значення є першою умовою перетворення підсилювача на генератор електричних коливань широкого спектру частот (наприклад, резонансний LC -підсилювач з ланкою зворотного зв’язку на базі змінного резистора та додаткової котушки індуктивності). Другою умовою є сумарний фазовий зсув в підсилювачі та у колі зворотного зв'язку

Таким чином, для того щоб виникла генерація електричних коливань у генераторі, необхідне виконання двох зазначених умов:

3) баланс фаз ;

4) баланс амплітуд , тобто ослаблення сигналу в колі зворотного зв'язку повинне компенсуватися його підсиленням у підсилювачі.

Якщо умови балансу фаз і балансу амплітуд виконуються тільки для однієї частоти, генератор буде генерувати електричні коливання синусоїдальної форми. Якщо ж баланс фаз і баланс амплітуд виконуються для декількох частот, генератор генерує коливання, що містять цей спектр частот (несинусоїдальні коливання).

В схемі рис. 5.1 LC – генератор формується шляхом підключення додаткових елементів кола зворотного зв'язку та . У досліджуваній схемі умова балансу фаз виконується за рахунок. відповідного підключення (фазування) вторинної обмотки трансформатора . Підсилювальний каскад, зібраний за схемою зі спільним емітером, забезпечує фазовий зсув . Для забезпечення балансу фаз, вторинна обмотка трансформатора підключається таким чином, щоб забезпечувався фазовий зсув .

Сигнал зворотного зв'язку, який подається на базу транзистора, може регулюватися за допомогою потенціометра зворотного зв'язку . Зміщуючи движок потенціометра, домагаються виконання умови балансу амплітуд і виникнення генерації. Частота генерації визначається резонансною частотою LC -контуру: . З формули видно, що для одержання низьких частот генерації необхідно збільшувати індуктивність i ємність коливального контуру. Однак це призводить до суттєвого збільшення габаритів пристрою та зростання втрат енергії, тому добротність таких контурів низька. Тому LC -генератори використовуються для одержання коливань на високих частотах (десятки-сотні кілогерц).

Контрольні питання

1. Дати визначення вибіркового підсилювача, охарактеризувати особливості його роботи.

2. Чому коефіцієнт підсилення виборчих підсилювачів залежить від частоти?

3. Що необхідно змінити в схеми RC -підсилювача аби перетворити його на резонансний підсилювач?

4. Чим відрізняються вибіркові та резонансні підсилювачі?

5. Чому, на вашу думку, опір резонансного підсилювача залежить від частоти?

6. Порівняти амплітудно-частотні характеристики RC -підсилювача та резонансного підсилювача. Пояснити відмінності.

7. Якими основними параметрами характеризується резонансний підсилювач?

8. Як вплине зміна параметрів коливального контуру на параметри резонансного підсилювача?

9. Як експериментально визначити добротність резонансного підсилювача?

10. Яким чином можна змінити смугу пропускання резонансного підсилювача?

11. Який вигляд матиме амплітудно-частотна характеристика ідеального резонансного підсилювача?

12. Чому в режимі роботи підсилювача класу В в спектрі вхідної напруги з'являються вищі гармоніки?

13. Пояснити, що таке основна та вищі гармоніки сигналу.

14. В чому полягає сутність режиму помноження частоти в резонансному підсилювачі? Що спричиняє виникнення такого режиму?

15. Який вигляд має амплітудно-частотна характеристика резонансного підсилювача в режимі помноження частоти? Чому?

16. Що таке зворотний зв'язок? Які види зворотного зв'язку ви знаєте?

17. Як визначається коефіцієнт підсилення підсилювача зі зворотнім зв'язком?

18. Що таке, на вашу думку від'ємний зворотний зв'язок?

19. Чому, на вашу думку, не рекомендується застосовувати в схемах додатний зворотний зв'язок?

20. Що таке генератор коливань? Які види генераторів ви знаєте? В чому їх особливість?

21. Які умови повинні бути виконані в підсилювачі для переведення його в режим генерування коливань?

22. Який тип зворотного зв'язку має бути в підсилювачі аби можна було створити в ньому умови для виникнення гармонічних коливань?

23. Яким чином в досліджуваній схемі LC -генератора забезпечується виконання умов балансу амплітуд та фаз?

24. Як залежить частота коливань від параметрів LC -контуру генератора?

25. Чому LC - генератори використовують тільки для одержання синусоїдальних коливань високої частоти?