Материал: Исследование резонансного усилителя

Исследование резонансного усилителя

Московский Авиационный Институт

Государственный Технический Университет

Лабораторная работа

Исследование резонансного усилителя

Москва, 2007

Содержание

1. Краткие сведения из теории

. Усилитель с одиночным контуром

. Усилитель с двухконтурным полосовым фильтром

. Усилитель с ФСС

. Переходной процесс в резонансных усилителях

. Описание экспериментальной установки

. Содержание эксперимента

. Методические указания и порядок проведения эксперимента

. Контрольные вопросы

Литература

1. Краткие сведения из теории

Целью лабораторной работы является ознакомление с особенностями схем резонансных усилителей и исследование основных характеристик избирательных усилителей с различными типами резонансной нагрузки.

Резонансными принято называть усилители, нагрузкой которых являются цепи с ярко выраженными резонансными свойствами, т.е. резонансные фильтры с достаточно высокой добротностью (). В простейшем случае это одиночный параллельный колебательный контур или система связанных резонансных контуров.

АЧХ резонансного усилителя имеет вид резонансной кривой, показанной на рис. 1, что определяется свойствами нагрузки, сопротивление которой существенно уменьшается при отклонении частоты сигнала от резонансной.

Рис.1 АЧХ резонансного усилителя

По этой характеристике можно оценить полосу пропускания и частотную избирательность усилителя. Обычно полоса пропускания резонансного усилителя существенно меньше самой резонансной частоты

 и .

К резонансным усилителям обычно предъявляется требование не только получения большой величины коэффициента усиления на резонансной частоте  при заданной полосе пропускания , но и обеспечения необходимой частотной избирательности, т.е. способности ослаблять сигналы, не попадающие в полосу пропускания. Для обеспечения хорошей избирательности АЧХ усилителя должна иметь крутые скаты за пределами полосы пропускания, по форме приближаясь к идеально прямоугольной характеристике, показанной на рис.1 пунктиром.

Качественно избирательность оценивается либо величиной коэффициента прямоугольности характеристики , либо величиной коэффициента избирательности .

Коэффициент прямоугольности показывает отношение полосы пропускания усилителя на уровне 0,1 или 0,01 к полосе на уровне 0,7:

;

Чем меньше величина коэффициента прямоугольности отличается от 1, тем лучше частотная избирательность усилителя.

Коэффициент избирательности  показывает во сколько раз резонансный усилитель ослабляет сигнал помехи на частоте f, отличной от резонансной, на определенную величину расстройки :

,

где  - резонансный коэффициент усиления,

 - усиление на частоте

,

величина  задается ГОСТом или техническими условиями.

Чем больше коэффициент избирательности, тем лучше частотная избирательность усилителя. Коэффициент избирательности часто выражают в логарифмических единицах - децибелах

.

Избирательность каскада зависит от типа резонансной системы, используемой в качестве нагрузки (одиночный контур, система связанных контуров, фильтр сосредоточенной избирательности), и от ее добротности. [Л.1,2].

Резонансные усилители находят широкое применение в радиоприемных устройствах в качестве усилителей радио- или промежуточной частоты. Помимо увеличения амплитуды сигнала такие усилители обеспечивают частотную селекцию полезного сигнала из всего многообразия сигналов и помех, воздействующих на вход приемника.

2. Усилитель с одиночным контуром

Рассмотрим схему резонансного усилителя (РУ) на биполярном транзисторе с одиночным LC-контуром и неполным подключением к контуру транзисторов двух смежных каскадов, представленную на рис.2.

Транзистор включен с общим эмиттером. В схеме использовано двойное автотрансформаторное включение контура в усилитель с коэффициентами трансформации

 и  

( - переменное напряжение на коллекторе первого транзистора,  - напряжение на контуре,  - выходное напряжение каскада).

Двойное неполное включение контура, во-первых, уменьшает шунтирующее действие на резонансный контур выходной проводимости данного каскада и входной проводимости следующего каскада, что бывает необходимо для получения заданной полосы пропускания усилителя, и, во-вторых, согласовывает эти проводимости с целью получения максимального усиления.

Параллельный колебательный контур настроен на частоту сигнала и имеет полосу пропускания (с учетом шунтирующего действия транзистора и цепи потребителя), соответствующую ширине спектра полезного сигнала. Резисторы , ,  обеспечивают работу усилителя в выбранном режиме по постоянному току и его стабильность. Конденсатор  устраняет отрицательную обратную связь по переменному току во всем рабочем диапазоне частот. Цепь ,  представляет собой развязывающий фильтр, предохраняющий источник питания от попадания в него переменного тока данного каскада за счет шунтирующего действия емкости . Наличие переменного напряжения на источнике питания могло бы привести к самовозбуждению в многокаскадном усилителе за счет обратной связи через общий источник питания. Конденсатор связи  передает усиленное напряжение на вход следующего каскада (или в цепь потребителя) и развязывает каскады по постоянному току. В отличие от апериодического усилителя вспомогательные цепи ;  и  не влияют на АЧХ усилителя, так как на резонансной частоте и в пределах полосы пропускания сопротивление емкостей ,  и  ничтожно мало.

Для анализа и расчета усилителей удобно использовать их эквивалентную схему по переменному току. Эквивалентная схема рассматриваемого усилителя изображена на рис.3а.

На рисунке использованы следующие обозначения:  - крутизна транзистора на резонансной частоте

,

 - крутизна на низких частотах,  - постоянная времени входной цепи транзистора; ,  - выходная активная проводимость и емкость транзистора ;  - проводимость контура, определяемая собственными потерями; ,  - входная активная проводимость и емкость следующего каскада;

проводимость базового делителя , ;  - емкость монтажа;  - коэффициенты включения.

Пересчитаем генератор тока

,

выходную проводимость и емкость транзистора , входную проводимость и емкость транзистора  и емкости монтажа через коэффициент включения  и  в колебательный контур. Получим преобразованную эквивалентную схему рис.3б.

В этой схеме ток эквивалентного генератора

,

а проводимости и емкости

;

;

;

;

напряжение на контуре

.

Объединяя однородные элементы, придем к упрощенной эквивалентной схеме рис.3в с эквивалентным контуром , в котором:

 (1)

 (2)

 (3)

где

обобщенная расстройка относительно резонансной частоты;

- абсолютная расстройка;

- резонансная частота;

,  - добротность и затухание контура с учетом собственных и внесенных потерь.

Полученная эквивалентная схема универсальна, так как она справедлива при любом способе включения усилительного прибора и при любых способах выполнения трансформатора с коэффициентами  и .

Оценим избирательность и усиление резонансного усилителя. Коэффициент усиления каскада

. (4)

Модуль коэффициента усиления позволяет найти АЧХ усилителя

 (5)

Модуль коэффициента усиления при резонансе найдем, подставив в (5) a=0

. (6)

Таким образом, резонансный коэффициент усиления каскада зависит от модуля крутизны транзистора, эквивалентной добротности контура и его характеристического сопротивления r, а также от коэффициентов включения контура с усилительным прибором и со входом следующего каскада.

Полоса пропускания усилителя на уровне

вязана с эквивалентным затуханием контура следующим соотношением:

,

а на уровне 0,1:

. (7)

Избирательность усилителя с одиночным контуром невысока, т.к. .

Коэффициент широкополосности каскада D, который представляет произведение коэффициента усиления  на полосу , равен:

.

Максимальное усиление каскада получается в режиме согласования, когда

 или  (8)

Если собственные потери в контуре малы (0), то проводимостью  при расчете  можно пренебречь. В этом случае резонансный коэффициент усиления в режиме согласования соответствует максимально возможной величине для данного типа транзистора, называемой усилительным потенциалом транзистора:

. (9)

Значение коэффициентов  и  определяется из условия получения максимального усиления при заданном значении полосы пропускания . В режиме согласования при 0

и эквивалентное затухание контура

.

Отсюда оптимальные значения коэффициентов включения  и  могут быть выражены как: