Текст книги "Электроника в вопросах и ответах"

Автор книги: И. Хабловски

Соавторы: В. Скулимовски
сообщить о нарушении

Текущая страница: 21 (всего у книги 29 страниц)

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.

Глава 10
ГЕНЕРАТОРЫ

Что такое генератор?

Генератор – это устройство, служащее для генерирования переменных колебаний без подведения извне какого-либо возбуждающего сигнала. По существу генератор преобразует энергию постоянного тока в энергию переменного тока[23]23
  В параметрических генераторах происходит преобразование энергии одной частоты в энергию колебаний другой частоты. – Прим. ред.


[Закрыть].

На какие основные группы можно разделить генераторы?

Генераторы в зависимости от формы генерируемого колебания могут быть разделены на две основные группы. Различают генераторы синусоидальных и несинусондальных колебаний (например, прямоугольных, треугольных колебаний и т. п.). Последние известны под названием релаксационных генераторов.

Какими параметрами характеризуется генератор?

К наиболее важным параметрам генератора относятся частота, ее стабильность, форма генерируемого колебания, мощность колебаний. Иногда имеет значение диапазон перестройки генератора. Не все параметры одинаково важны; значение каждого из них зависит от применения генератора. Например, генератор, задающий несущую частоту радиопередатчика, является генератором малой мощности, но с высокой стабильностью. В свою очередь генератор, предназначенный для нагрева, например, индуктивной или электрической печи, обычно имеет большую мощность, около 10–20 кВт, но требования к стабильности в этом случае невысокие.

Как можно разделить генераторы синусоидальных колебаний?

Принципиальный критерий – вид электрического контура, определяющего частоту колебаний. Существуют генераторы с LC– и RС-элементами, а также электромеханические генераторы. В зависимости от механизма возникновения колебаний и цепи ОС генераторы подразделяются на генераторы с внешней и внутренней ОС, т. е. с использованием отрицательного сопротивления некоторых активных элементов, например тетрода или туннельного диода.

Последние применяют относительно редко. В зависимости от вида используемого активного элемента генераторы делятся на ламповые и транзисторные.

Как действует простейший генератор на резонансном контуре?

Простейшим генератором является сам контур, состоящий из индуктивности L и емкости С и не взаимодействующий непосредственно с активным элементом. В LC-контурах при соответствующих условиях могут возникать свободные собственные колебания, осцилляции. Основой работы генератора такого типа является эффект накопления энергии резонансным контуром.

Рассмотрим резонансный (колебательный) контур, представленный на рис. 10.1, а. Предположим, что конденсатор С заряжен до напряжения батареи Б. Допустим, что конденсатор разряжается через катушку индуктивности после размыкания ключа К₁ и замыкания ключа К₂. При разряде конденсатора через катушку энергия электрического поля конденсатора переходит в энергию магнитного поля катушки. В результате явления самоиндукции в катушке возникает электродвижущая сила, которая поддерживает ток в контуре и перезаряжает конденсатор. В свою очередь конденсатор снова разряжается через катушку, и процесс повторяется сначала. Если бы контур был идеальным (без потерь), колебания в контуре имели бы чисто синусоидальную форму и длились бы бесконечно долго.

В действительности катушка выполнена из провода и имеет некоторое сопротивление потерь R. Это сопротивление при протекании тока вызывает потерю мощности. Иначе говоря, часть электрической энергии контура преобразуется в резисторе в тепловую энергию и не может быть использована другим способом. Поскольку в процессе каждой разрядки часть энергии теряется, конденсатор уже не может зарядиться до первоначального напряжения. В результате заряд, а отсюда и максимальное напряжение на конденсаторе уменьшаются с каждым периодом. Поэтому в контуре возникают колебания в виде затухающей синусоиды (рис. 10.1, б). Когда вся подведенная к контуру энергия преобразуется в резисторе в тепловую энергию, колебания прекращаются.

Частота колебаний в контуре в первом приближении равна его резонансной частоте f = 2π√(L·C). Амплитуда колебаний зависит от энергии, подведенной вначале к контуру, а скорость убывания (затухания) – от сопротивления потерь в контуре.

Рис. 10.1. Колебательный контур (а) и форма затухающих колебаний (б)

Как действует LC-генератор с внешней ОС?

В LC-генераторах всегда используются свойства параллельного резонансного контура, в котором при соответствующих условиях могут возникнуть затухающие колебания. Явление затухания, вызванное сопротивлением в контуре, возникают уже в первом периоде работы, как только через катушку начинает протекать ток. Поэтому амплитуда напряжения во втором периоде уже меньше, чем начальная амплитуда.

Для получения постоянной амплитуды колебаний (или поддержания незатухающих колебаний в контуре) необходимо в каждый период пополнять энергию, теряемую в контуре, от внешнего источника питания с помощью усилителя с ПОС.

Ко входу усилителя, взаимодействующего в составе генератора, подводится часть сигнала, действующего в резонансном контуре. Полярность этого сигнала должна быть подобрана таким образом, чтобы выходной сигнал усилителя был в фазе с сигналом в резонансном контуре. Усиленное напряжение подводится непосредственно к резонансному контуру. Усилитель должен поставлять энергию в контур только в течение небольшой части периода. Эту задачу лучше всего выполняет усилитель класса С. Во время коротких периодов проводимости активного элемента протекающий через усилитель ток дает энергию, обеспечивающую требуемые условия работы контура. Легко видеть, что усилитель (транзистор) действует как ключ, автоматически размыкаемый и замыкаемый генерируемым напряжением.

Как уже указывалось в гл. 8, ПОС должна быть такой, чтобы удовлетворялось условие баланса амплитуд. Следует добавить, что переход к работе в классе С должен происходить автоматически с помощью RС-цепи во входной цепи, для того чтобы было возможно самовозбуждение колебаний.

Что такое генератор с индуктивной ОС?

Принципиальная схема генератора с индуктивной ОС показана на рис. 10.2.

Рис. 10.2. Принципиальная схема генератора с индуктивной ОС

Характерной особенностью этого генератора являются две катушки, из которых одна совместное подключенным параллельно конденсатором образует колебательный контур. Конденсатор может быть подключен к катушке в цепи базы либо в цепи коллектора. Вторая катушка является катушкой связи, ее задача состоит в передаче части энергии с выхода на вход схемы. Обратная связь в схеме должна быть положительной. Будет ли ОС положительной, зависит от относительного направления навивки катушек. В общем можно принять, что если катушки навиты в одном направлении, то одна из них должна иметь обращенные концы. Степень ОС зависит от взаимной индуктивности М между катушками. Рост M, а следовательно, и коэффициента связи χ вызывает увеличение ОС.

При подведении к схеме напряжения питания начинает заряжаться конденсатор резонансного контура и в схеме возникают колебания. После возбуждения колебаний схема автоматически переходит в режим работы в классе С.

Работу в классе С обеспечивает схема динамического смещения базы, содержащая резистор R₁ и конденсатор С₁. Если амплитуда колебаний возрастает, то увеличивается постоянное напряжение на конденсаторе С₁ и уменьшается в последующих периодах угол (время) протекания тока коллектора. Генератор работает в установившемся режиме, если потери в контуре уравновешиваются выходной мощностью переменного тока в транзисторе. Потери в рассматриваемой схеме включают в себя потери в транзисторе, катушке в цепи коллектора, резонансном контуре и ограничивающем сопротивлении. Последним является эмиттерный резистор, который ограничивает до безопасного значения ток в первый момент после включения схемы.

Схема дополнительного смещения базы стабилизирует выходное напряжение генератора. Частота колебании в генераторе с индуктивной ОС близка к резонансной частоте контура и может изменяться путем изменения емкости конденсатора. Процесс изменения частоты колебаний путем изменения значений элементов контура называется перестройкой генератора. Выходное напряжение генератора обычно снижается посредством конденсатора связи, подключенного к коллектору транзистора, либо третьей обмотки трансформатора.

Каковы схемные варианты генератора с индуктивной ОС?

Существует много схемных разновидностей генератора с индуктивной ОС, отличающихся размещением резонансного контура, способом питания, схемой работы активного элемента, самим активным элементом и т. п

На рис. 10.3 изображено несколько вариантов схем. Особого внимания заслуживает схема на рис. 10.3, а, в которой база транзистора питается переменным напряжением с части обмотки катушки резонансного контура. Такое включение предотвращает демпфирование резонансного контура транзистором.

Некоторые из представленных схем запитываются последовательно, другие параллельно. В схеме с последовательным питанием постоянная составляющая тока коллектора протекает через одну из катушек генератора. При параллельном питании постоянная составляющая тока коллектора не протекает через катушки, так как она отделена с помощью шунтирующего конденсатора С_ш. Последовательно с коллектором включен высокочастотный дроссель, который обеспечивает большое сопротивление между коллектором и массой. В схеме на рис. 10.3, б подстроечный конденсатор находится в цепи коллектора. Недостатком такого решения является высокий потенциал конденсатора относительно массы. В этом случае подстроечный конденсатор и его ось должны быть изолированы от монтажной платы (шасси).

Рис. 10.3. Схемы генераторов с индуктивной ОС:

_{а – с контуром в цепи базы транзистора; б – с перестраиваемым контуром в цепи коллектора и последовательным питанием; в – схема с параллельным питанием; г – генератор по схеме с ОБ; д – ламповый генератор с параллельным питанием}