§ 13.2. Резонансные усилители напряжения высокой частоты

Резонансные усилители напряжения широко используются в качестве усилителей высокой частоты радиоприемников, к которым предъявляются следующие основные требования: возможно больший коэффициент усиления по напряжению; высокая добротность амплитудно-частотной характеристики на частоте полезного сигнала.

Для выделения полезного сигнала высокой частоты в резонансном усилителе используются резонансные свойства параллельного колебательного контура, включенного в цепь нагрузки.

Включение контура в цепь нагрузки бывает трансформаторным, автотрансформаторным, емкостным и через разделительный конденсатор (рис. 13.5, а—г).

Рассмотрим в качестве примера схему с трансформаторным включением. Выходной цепи этой схемы на резонансной частоте контура соответствует эквивалентная схема, представленная на рис. 13.6.

Рис. 13.5..

В схеме контур дан как параллельное соединение индуктивности L, емкости С и эквивалентного сопротивления контура на резонансной частоте — приведенное сопротивление нагрузки. Из эквивалентной схемы следует, что при работе в схеме усилителя контур шунтируется сопротивлениями , вносимыми в цепь контура транзистором и нагрузкой. При этом сопротивление контура на резонансной частоте изменяется и становится равным значению , которое определяют из выражения

За счет внесения в цепь контура емкости транзистора изменяется и емкость контура:

Рис. 13.6.

Следовательно, резонансная частота усилителя будет отличаться от резонансной частоты контура

а добротность амплитудно-частотной характеристики усилителя Q будет отличаться от добротности контура Q, не шунтированного дополнительными элементами:

Так как сопротивление является активной величиной и включается в коллекторную цепь схемы каскада ОЭ, то коэффициент усиления по напряжению (см. рис. 13.5, а) иа резонансной частоте можно определить из формулы

Трансформаторное включение контура в цепь нагрузки (см. рис. 13.5, а) позволяет уменьшить влияние нагрузки на . Влиянием нагрузки можно пренебречь, если Быбрать коэффициент трансформации из условия

Полагая, что условие (13.11) выполняется, если , найдем

(13.12)

При малых значениях коэффициент получается меньше единицы, что снижает коэффициент усиления схемы.

Пусть . Из формулы (13.12) будем иметь . Следовательно, коэффициент усиления схемы при использовании трансформатора с уменьшится в 10 раз. При больших значениях , когда выполняется условие , связь контура с нагрузкой может осуществляться через разделительный конденсатор большой емкости (см. рис. 13.5, г).

Неполное включение контура в цепь транзистора (отвод из точки а индуктивной катушки) позволяет в схемах с автотрансформаторной и емкостной связями (см. рис. 13.5, в) уменьшить влияние параметров транзистора на характеристики контура, так как в этом случае емкость, вносимая в контур транзистором, равна , а сопротивление равно , где — коэффициент включения контура к транзистору.

В некоторых случаях для уменьшения влияния параметров транзистора на характеристики контура используют схему каскада ОБ.

Тогда в контур при его полном включении в цепь транзистора вносятся емкость и сопротивление , оказывающие меньшее влияние на характеристики кфнтура, чем параметры схемы каскада ОЭ .

Влияние нагрузки в схемах рис. 13.5, б, в уменьшается при неполном включении контура в цепь нагрузки, так как при этом сопротивление, вносимое в контур, равно , где — коэффициент включения контура к нагрузке.

При построении транзисторных резонансных усилителей необходимо учитывать внутреннюю обратную связь, которая проявляется в том, что часть коллекторного тока транзистора ответвляется во входную цепь. Если усилительная схема каскада ОЭ работает от источника тока, то внутренняя обратная связь является положительной и параллельной по току. Если усилительная схема каскада ОЭ работает от источника ЭДС, то имеем отрицательную последовательную внутреннюю обратную связь по току.

Рис. 13.7.

Внутренняя обратная связь приводит к самовозбуждению резонансных усилителей. Так как расстроенный контур представляет собой реактивное сопротивление, то условия самовозбуждения в усилителе могут выполняться и при положительной, а при отрицательной обратных связях.

Для повышения устойчивости резонансных усилителей можно использовать схему каскада ОБ, в которой внутренняя обратная связь проявляется слабее, чем в схеме каскада ОЭ. Однако по сравнению с ОЭ схема ОБ имеет малое входное сопротивление и меньший коэффициент усиления по мощности. Эти свойства ограничивают применение включения ОБ в схемах резонансных усилителей.

Повысить устойчивость резонансных усилителей можно нейтрализацией внутренней обратной связи на частотах, близких к резонансной, с помощью -цепей коррекции и каскодных схем.

Элементы -цепи коррекций подбирают таким образом, чтобы в требуемом диапазоне частот сигнал, поступающий с выхода Усилителя на его вход через цепь коррекции, был равен по вели чине и противоположен по фазе сигналу, поступающему на вход усилителя по цепи внутренней обратной связи.

Каскадная схема резонансного усилителя (рис. 13.7, а) содержит два последовательно включенных транзистора. Транзистор в схеме ОЭ, а , являясь нагрузкой , — в ОБ (рис. 13.7, б). При последовательном включении транзисторов их токи равны, т. е.

Тогда коэффициент усиления по напряжению на резонансной частоте

Выражение (13.14) совпадает с выражением для коэффициента усиления каскада ОЭ на одном транзисторе.

Входное сопротивление каскодной схемы равно входному сопротивлению каскада ОЭ, т. е.

(13.15)

Выходное сопротивление равно выходному сопротивлению каскада ОБ, т. е.

(13.16)

Таким образом, входные параметры и коэффициент усиления каскодной схемы соответствуют входным параметрам и коэффициенту усиления каскада ОЭ, а выходные — параметрам каскада ОБ.

Такое сочетание свойств схем каскадов ОЭ и ОБ позволяет использовать преимущества каскада ОБ (слабую внутреннюю обратную связь и малое влияние параметров транзистора на контур), сохранив в то же время преимущество каскада ОЭ в усилении. Кроме того, в каскодном усилителе емкость транзистора не связана непосредственно с входом схемы, что также обеспечивает хорошую развязку входа и выхода схемы на высокой частоте.

Каскодное включение транзисторов в резонансном усилителе широко используется при разработке интегральных схем, когда число транзисторов не имеет существенного значения. На рис. 13.8 приведена каскодная схема гибридного резонансного усилителя, выполненная на интегральной микросхеме . Примером интегральных каскодных усилителей являются также микросхемы .

Для повышения входного сопротивления в каскодных усилителях используют полевые транзисторы. Схема каскодного усилителя на транзисторах с управляющим (рис. 13.9) состоит из каскада с общим истоком на транзисторе , нагрузкой которого является с общим затвором на транзисторе .

Токи, протекающие через транзисторы схемы, равны между собой, т. е.

(13.17)

где — входное сопротивление каскада с общим затвором .

Рис. 13.8.

Рис. 13.9.

Тогда выражение для коэффициента усиления каскодной схемы на резонансной частоте будет иметь вид

(13.18)

Подставляя в (13.18) выражение для , получим

(13.19)

Если считать, что полевые транзисторы в схеме имеют малый разброс параметров, т. е. , то формула (13.19) принимает вид

Так как обычно выполняется соотношение , то формулу (13.20) можно упростить:

(13.21)

Сравнивая формулы (13.21) и (4.73), можно сделать вывод, что каскодная схема рис. 13.9 не дает преимущества в усилении перед каскадом с общим истоком.

Однако каскодная схема обеспечивает хорошую развязку между входом и выходом, так как при каскодном включении полевых транзисторов уменьшается проходная емкость транзистора:

Среди резонансных усилителей напряжения можно выделить полосовые усилители напряжения, которые характеризуются прямоугольной формой амплитудно-частотной характеристики и используются обычно в качестве усилителей промежуточной частоты радиоприемников.

Прямоугольность амплитудно-частотной характеристики обеспечивается двумя способами; 1) включением в выходную цепь усилителя системы двух связанных контуров, каждый из которых настроен на заданную частоту; при этом коэффициент связи между контурами выбирают близким к критическому; 2) использованием двух каскадов, имеющих в выходной цепи каждый по одному несвязанному контуру. Контуры каскадов симметрично расстроены относительно центральной частоты соо-Резонансные кривые контуров соответствуют кривым 1 и 2 на рис. 13.10.

Рис. 13.10.

Полосовой усилитель с расстроенными контурами при одинаковой полосе пропускания обладает большим коэффициентом усиления, чем усилитель со связанными контурами. Однако усилитель с расстроенными контурами труднее настраивать на заданную полосу частот, так как для этого необходима настройка контуров на строго определенные частоты, симметричные относительно центральной частоты.