2.8 Избирательные усилители

Усилители, которые имеют широкую полосу пропускания применяют в промышленной электронике, когда нужно усиливать напряжения или токи, имеющие гармонические составляющие в широком диапазоне частот.

K_U

Однако на практике часто необходимо осуществлять избирательное усиление, выделяя один «полезный» сигнал из целого ряда входных сигналов и одновременно ослабляя все остальные – «мешающие» сигналы (рисунок 2.47).

2 Δf

f_н

f_в

f₀

f

K_{U max}

Рисунок 2.47 – АЧХ ИУ

Для этой цели служат избирательные усилители (ИУ), т. е. усилители, предназначенные для усиления сигналов в некоторой узкой полосе частот.

Их АЧХ должны обеспечивать требуемое усиление в заданной полосе частот и достаточно крутой спад усиления вне этой полосы. Полоса пропускания ИУ 2∆f = f_в – f_н определяется на уровне K_{U max} / √2, где – коэффициент усиления при резонансной частоте f₀. Селективность усилительных свойств оценивают добротностью Q = f₀ / (2∆f).

Избирательные усилители широко распространены в радиоприемных и телевизионных устройствах, в многоканальных системах связи. Здесь они решают задачу настройки приемного устройства на фиксируемую частоту принимаемой станции, не пропуская сигнала других устройств. Резкая зависимость K_U ИУ от f достигается, как правило, включением специальных фильтров в цепь усиления или в цепь обратной связи. В связи с этим ИУ подразделяются на:

• высокочастотные;

• низкочастотные.

Высокочастотные избирательные усилители создают введением LC-фильтра в цепь нагрузки усилительного каскада, это так называемые резонансные усилители (рисунок 2.48).

U_вх

K

LC

U_вых

Рисунок 2.48 – Структурная схема высокочастотного ИУ

Низкочастотные узкополосные усилители создают включением в цепь обратной связи RC-фильтров (рисунок 2.49).

U_вых

U_вх

RC

K

Рисунок 2.49 – Структурная схема низкочастотного ИУ

Высокочастотные иу

Рассмотрим схему резонансного усилителя. Она похожа на схему однокаскадного усилителя с ОЭ, но в цепь коллектора вместо R_к включен колебательный контур (рисунок 2.50).

C_p1

VT

R_н

R_э

R_э

R₂

C_p2

R₁

C

L

-E_к

U_вх

Рисунок 2.50 – Принципиальная электрическая схема высокочастотного ИУ

Назначение элементов:

• R₁, R₂, VT, R_э, C_э – элементы однокаскадного усилителя с общим эмиттером, их назначение мы уже рассматривали ранее;

• колебательный LC-контур в коллекторной цепи транзистора – выполняет роль LC-фильтра, т. е. Выделяет резонансную частоту и соответствующую полосу пропускания на высоких частотах.

• C_р1, C_р2 – разделительные конденсаторы, через которые осуществляется связь с предыдущим или последующим каскадом.

На резонансной частоте f_рез = сопротивление колебательного контура велико, в связи с чем коэффициент уменьшения max. При отклонении частоты влево или вправо от резонансной сопротивление контура уменьшается ввиду увеличения шунтирующего действия его индуктивности или емкости. Это вызывает уменьшение коэффициента усиления каскада. Рассмотрим АЧХ резонансных усилителей при различной добротности резонансного контура (рисунок 2.51).

f_рез

Q₃

Q₂

Q₁

2Δ f

f

0,7K_рез3

K_рез

0,7K_рез2

K_рез

0,7K_рез1

K_рез

K

Рисунок 2.51 – АЧХ ИУ с различной Q

Как видим, при увеличении Q возрастает коэффициент усиления усилителя на резонансной частоте и уменьшается полоса его пропускания. Поэтому при проектировании усилителей с большой избирательностью необходимо применять контуры с высокой добротностью. На частотах от 50 кГц до 5 МГц легко могут быть выполнены контуры с Q = 50 / 200, при применении ферритовых сердечников в катушке с Q до 500.

На частотах выше 5 МГц Q снижается из-за увеличения потерь в конденсаторах и потерь на вихревые токи в проводах катушки.

На низких частотах, т. е. f > 50 кГц не удается получить большое индуктивное сопротивление катушки при ее малом активном сопротивлении.