Селективные усилители

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»







Г. И. ПРИХОДЬКО





СЕЛЕКТИВНЫЕ УСИЛИТЕЛИ




Учебное пособие по специальному лабораторному практикуму «Радиоэлектроника» (специальность 03.03.03 «радиофизика» )















Ростов-на-Дону - Таганрог Издательство Южного федерального университета 2020

УДК 621.375.126(075.8)
ББК 32.846я73
     П77

Печатается по решению кафедры радиофизики физического факультета Южного федерального университета (протокол № 19 от 19 февраля 2019 г.)


Рецензенты:
доктор физико-математических наук, профессор, заведующий кафедрой радиофизики физического факультета Южного федерального университета
Г. Ф. Заргано;
       доктор физико-математических наук, профессор Ростовского государственного университета путей сообщения В. Н. Таран















      Приходько, Г. И.
П77 Селективные усилители : учебное пособие по специальному лабораторному практикуму «Радиоэлектроника» (специальность 03.03.03 - «радиофизика») / Г. И. Приходько ; Южный федеральный университет. - Ростов-на-Дону ; Таганрог : Издательство Южного федерального университета, 2020. - 108 с.
         ISBN 978-5-9275-3181-3
         Учебное пособие содержит теоретические основы работы и устройства селективных усилителей, а также рекомендации по выполнению лабораторных работ на учебном стенде и на компьютере по изучению принципа действия, параметров и характеристик усилителей данного типа.
         Предназначено для студентов, обучающихся по направлению подготовки 03.03.03 - «радиофизика» по дисциплинам: радиоэлектроника, квантовая радиофизика и радиофизический практикум.


                                                УДК 621.375.126(075.8) ББК 32.846я73
       ISBN 978-5-9275-3181-3        © Южный федеральный университет, 2020
                                     © Приходько Г. И., 2020
                                     © Оформление. Макет. Издательство Южного федерального университета, 2020

            ОГЛАВЛЕНИЕ




Введение..................................................5
1. Структура селективного усилителя.......................7
2. Электронный усилитель..................................8
  2.1. Принцип построения электронного усилителя..........8
  2.2. Характеристики и основные параметры электронного усилителя.............................................10
  2.3. Схемотехника усилительного каскада................14
  2.4. Анализ режима усиления............................15
3. Резонансные усилители.................................18
  3.1. Селективный усилительный каскад с параллельным колебательным контуром................................19
  3.1.1. Резонансный усилительный каскад с параллельным колебательным контуром на биполярном транзисторе. . . 19
  3.1.2. Резонансный усилительный каскад с параллельным колебательным контуром на полевом транзисторе.........27
  3.2. Резонансный усилительный каскад с последовательным колебательным контуром................................30
  3.3. Каскады со связанными контурами...................33
  3.4. Параметры резонансного усилителя..................36
  3.5. Резонансный усилительный каскад высоких частот....39
  3.6. Устойчивость резонансного каскада.................42
  3.7. Методы повышения устойчивости резонансных каскадов . 43
  3.8. Каскодные усилители...............................46
4. Селективные усилители на операционных усилителях......51
5. Селективный усилитель с избирательной цепью отрицательной обратной связи...........................................65
6. Измерение характеристик селективного усилителя........70
  6.1. Лабораторная работа на экспериментальном стенде...70
  6.1.1 Лабораторная установка...........................70
  6.1.2. Порядок выполнения работы.......................72
  6.1.3. Отчет...........................................75
  6.1.4. Контрольные вопросы.............................75

3

  6.2. Исследование свойств избирательных усилителей в виртуальной лаборатории.............................77
  6.2.1. Лабораторная работа с использованием программы Electronics Workbench.................................77
Приложения ..............................................85
  Приложение 1. Расчет параметров и получение характеристик транзисторного резонансного усилителя на биполярном транзисторе.........................................85
  Приложение 2. Расчет параметров резонансного одноконтурного усилительного каскада на полевом транзисторе........93
  Приложение 3. Электрические фильтры - четырехполюсники 94

Литература.............................................107

4

ВВЕДЕНИЕ



   Усилением полезного электрического сигнала называют увеличение его мощности за счет расхода энергии источника постоянного напряжения при сохранении формы сигнала. Полезным называют сигнал, используемый для передачи информации или для тестирования (контроля) электронного устройства. Электронным усилителем называют устройство, преобразующее маломощный электрический сигнал на его входе в сигнал большей мощности на выходе с минимальными искажениями исходной формы сигнала. Усиление мощности сигнала осуществляется за счет потребления усилителем энергии от дополнительного источника, называемого источником питания. Следовательно, усилитель представляет собой устройство, входной сигнал которого управляет преобразованием энергии источника питания в энергию выходного сигнала.
   По форме амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) различают апериодические и селективные усилители. Апериодические усилители имеют широкую полосу пропускания и плоскую АЧХ, не содержат избирательных систем. Апериодический усилитель часто называется резистивным усилителем, поскольку в качестве внутренней и внешней нагрузки в нем используются резисторы. В таком усилителе из-за отсутствия катушек индуктивности (индуктивностью выводов элементов пренебрегаем) не возникает колебательных процессов — апериодических процессов.
   Селективный (избирательный) усилитель обеспечивает частотную избирательность, которая достигается за счет включения в его электрическую схему в качестве нагрузки или в цепь обратной связи (ОС) частотных избирательных систем. Такую роль исполняют различного типа фильтры сосредоточенной избирательности, фильтры на связанных контурах или одиночные колебательные контуры.
   Под селективностью в общем смысле понимают способность электронного устройства выделять из спектра электромагнитных колебаний полезный сигнал. Различают селективность по форме сигнала и селективность частотную, фазовую, амплитудную, поляризационную, временную, пространственную. В большинстве устройств радиосвязи сигналы различаются по частоте, и в этом

5

Введение

случае основным видом селективности является частотная селективность. Она используется абсолютно во всех приемных устройствах радиосвязи, телевидения и радиолокации без исключения.
   Частотная избирательность селективных усилителей создает высокую помехозащищенность систем, работающих на фиксированных частотах, что широко используется в радиоприемных и телевизионных устройствах, а также в многоканальных системах связи. Здесь они решают задачу настройки приемного устройства на фиксированную частоту принимаемой станции (канал связи), не пропуская сигналы других частот, представляющие собой внешние помехи. Селективные усилители широко распространены в устройствах автоматического управления и контроля. На способности выделения с помощью избирательных (узкополосных) усилителей фиксированных гармонических составляющих из широкого спектра частот входного сигнала основана работа ряда измерительных устройств.
   Избирательные усилители при частотах свыше десятков килогерц создают введением параллельного колебательного LC-контура в цепь нагрузки усилительных каскадов (резонансные усилители). Низкочастотные узкополосные усилители выполняют с обратными связями через частотно-зависимые RC-цепи.
   Задачам освещения устройства, характеристикам и проблемам селективных усилителей посвящены всего несколько изданий. Но практически все книги про радиоприемные устройства (см. список литературы) затрагивают эти вопросы, и некоторые моменты из них отражены и в настоящем пособии [1; 6; 8; 3].
   Автор считает своей приятной обязанностью выразить благодарность коллеге, доценту Е. Н. Сидоренко, который прочел отдельные разделы рукописи и высказал ряд ценных замечаний, способствовавших улучшению содержания пособия в целом.

6

1. СТРУКТУРА СЕЛЕКТИВНОГО УСИЛИТЕЛЯ

   Структурная схема селективного усилителя может быть представлена из каскадов, построенных с использованием базового усилительного элемента, согласующих цепей и фильтра.Струк-турные схемы селективного усилителя в общем упрощенном виде представленына рисунке 1.



Рис. 1. Схемы избирательных усилителей с фильтром в цепи: а — обратной связи; б — каскадным фильтром

   В качестве усилителя возможно использование любого широкополосного усилителя постоянного тока или усилителя с резистивно-емкостной связью. Частотно-зависимый четырехполюсник (полосовой фильтр) включается в цепь обратной связи (рис. 1 а). Такой фильтр обычно представляет собой цепь, состоящую исключительно из резисторов и конденсаторов, т. е. так называемую RC-цепь. Селективные усилители можно разделить на резонансные, нагрузкой которых является резонансный колебательный контур (частотно-избирательная нагрузка), полосовые, нагрузкой которых в большинстве случаев служит полосовой фильтр, и узкополосные селективные RC-усилители с частотно-зависимой обратной связью.



7

2. ЭЛЕКТРОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ



            2.1. Принцип построения электронного усилителя


   Минимальная часть схемы усилителя, сохраняющая усилительные свойства, называется каскадом. При значительном разнообразии электрических схем усилительных каскадов (различие состоит в типах используемых транзисторов, их количестве, в режиме работы транзисторов) для усиления электрического сигнала принцип их построения остается единым.



Рис. 2. Функциональная схема усилителя

   Функциональная схема представления принципа построения усилительного каскада обязательно включает: источник внешнего питания (Е), активный (или усилительный) элемент (УЭ) и нагрузку (постоянный резистор R).
   Источник питания Е подсоединяется одной клеммой (например, «+») к одному электроду резистора, а вторым («-») — к общему проводу (или, как иногда называют, к«общей шине»).Ча-сто общий провод соединяется с электропроводным корпусом реального устройства. Это привело к жаргонным названиям общего провода: «корпус» или «земля». Таким образом, элементы усилительного каскада образуют замкнутую цепь,или контур: Е -R -8

2.1. Принцип построения электронного усилителя

УЭ. Благодаря источнику постоянного напряжения Е в рассмотренном контуре может протекать постоянный ток. При отсутствии входного сигнала (Uвх = 0) в соответствии со вторым законом Кирхгофа электрическое состояние этой цепи описывается следующим уравнением

E =

UВЫХ + i вых R

(1)

   Входной сигнал Uвх, изменяя сопротивление УЭ, управляет величиной силы тока i вых — вот в этом и заключается процесс усиления. Изменение величины напряжения на резисторе UR = iвых R приводит к изменению величины напряжения на УЭ (UУЭ = E — i вых R), что происходит как следствие изменения величины силы тока i вых. Колебание Uуэ рассматривается как выходной сигнал и направляется на нагрузку усилителя Uуэ = Uвых (потребителю). Выходные ток и напряжение на УЭ значительно превышают входные — их величина определяется величиной Е. Таким образом, получается, что мощность выходного сигнала больше мощности входного сигнала. За счет электрической энергии источника питания происходит увеличение мощности сигнала. Таким образом, усиление основано на преобразовании электрической энергии источника постоянного напряжения в энергию выходного сигнала за счет изменения сопротивления УЭ по закону, задаваемому входным сигналом.
   Как видно из представленного, главным управляющим элементом функциональной схемы усилительного каскада, благодаря действиям которого происходит модуляция выходного тока и определяется выходное напряжение усилительного каскада, является УЭ. Он представляет собой управляемую резистив-ность, величина которой и определяет прежде всего выходной ток. Резистивность представляет собой переменный, регулируемый параметр УЭ. Его управление осуществляет управляемый ток Iвх(для биполярного транзистора) либо напряжение Uвх(для полевого транзистора). Разновидность УЭ и его тип выбирают, учитывая характеристики входного и выходного сигналов каскада (прежде всего мощность и спектр). Резистивные свойства УЭ являются определяющими в ограничении верхних частот рабочего диапазона каскада. С увеличеним частоты проявляются особенности физических процессов и структуры УЭ (последнее про

9

2. Электронный усилитель

является прежде всего в монтажных емкостных свойствах конструкции).
   По причине разнообразия видов электрических сигналов, для которых требуется усиление, и целей их использовании, а также немалого количества элементов, способных исполнять функции усилительных элементов, и различных способов их включения в схему существует значительное разнообразие усилительных каскадов. Перечислим основные их разновидности. По способу подключения электрода к общей шине усилительные каскады различают: схемы с общим инжекторным электродом (общим катодом ОК, общим истоком ОИ, общим эмиттером ОЭ); схемы с общим коллекторным электродом (общим анодом — ОА, общим стоком — ОС, общим коллектором — ОК); схемы с общим управляющим электродом (общей сеткой — ОС, общим затвором — ОЗ, общей базой — ОБ). Термин «общий электрод» в приведенных видах каскадов используется для определения электрода УЭ, соединенного с общим проводом (общей шиной) электрической схемы — проводом, напрямую соединяющим клеммы, к которым подведены входной и выходной сигналы каскада. Используются также такие схемы: схемы с разделенной нагрузкой, каскодные схемы, дифференциальные усилители, схемы с составными транзисторами и др. Обособленное место в этой классификации занимают каскады на операционных усилителях, а также усилители мощности.
   Ввиду преобладающего практического использования устройств полупроводниковой электроники, в дальнейшем мы будем рассматривать устройства на транзисторах. Необходимо отметить, что в определенных областях применения вакуумные устройства (состоящие из электронно-вакуумных, ламповых элементов) на сегодняшний день замены не имеют.


            2.2. Характеристики и основные параметры электронного усилителя


   Под параметрами электронного усилителя понимают определенные числовые значения, а под характеристиками — графики зависимостей одних величин от других.
   Основными параметрами усилителей являются:
   1) входные и выходные данные:

10

2.2. Характеристики и основные параметры электронного усилителя

   Входные:
   номинальные входное напряжение Uвх, входная мощность P вх = UвхIвх, входной ток I, входное сопротивление R вх.
   Выходные:
   номинальные выходное напряжение Uвых, выходная мощность P вых = UвыхIвых’ выходной ток I, выходное сопротивление R вых.
   Входное и выходное сопротивления — важнейшие параметры усилительных устройств. Их значения должны учитываться при согласовании усилительного устройства как с источником входного сигнала, так и с нагрузкой.
   Выходная мощность усилителя — мощность, которая может быть выделена на сопротивлении нагрузки.
   2)    коэффициенты усиления — отношение амплитуды (напряжения или тока) выходного сигнала к амплитуде (напряжения или тока) входного. В зависимости от усиливаемой величины различают следующие коэффициенты усиления:
   по напряжению KU = Uвых / Uвх по мощности Kₚ = P вых / P вх = KUK,;
   по току K = Iвых / Iвх
   Комплексный коэффициент усиления используется для оценки прохождения через усилитель периодического, синусоидального сигнала. Например, комплексный коэффициент усиления по напряжению представляет собой отношение комплексных амплитуд ( U'выхm и U'вхm) или действующих значений ( U'вых и U'вх) выходного и входного напряжений:
U'
K(J' ю) = -u^ = \Kᵤ\e *,           (2)
вх
где ф — угол сдвига фазы между выходным и входным напряжениями,
   ю — круговая частота входного сигнала. Иногда через Ku( ю) обозначается модуль комплексного коэффициента усиления | KU |.
   Аналогично определяется комплексный коэффициент усиления по току.
   Основными характеристиками усилителя являются:
   1)    амплитудная характеристика Uвых = f(U ), называемая также характеристикой вход-выход (рис. 3).

11

2. Электрон ный усиёитеёъ

Рис. 3. Ампёитудаая характеристика

   Ампёиту,д^ая характеристика снимается в установившемся режиме работы усиёитеёя чаще всего при подаче ^а вход си^усо-идалього ^а ^екоторой постояоой частоте, а тогда — медле^^о изме^яющегося сигнала. При U < U       выходое ^апряже^ие
U определяется собстве^^ыми помехами и 0умами усилителя.
   Если U < U , то ^ели^ей^ые элеме^ы усилителя Например, тра^зисторы) работают ^а ^ели^ей^ых участках характеристик, что обусловливает огра^иче^ие амплитуды выходного сиг-^ала и искаж.ешле его формы. При работе ^а этом участке выходной сигнал усилителя содержит гармо^ические составляющие, отсутствующие во входом ситале.Говоря и^аче, в усиливаемый сигнал восятся нелинейные искаж.ешия.

  Рабочим участком амплитудой характеристики является ее практически линейный участок при U < U < U .
  2)    амплитудно-частотная характеристика (АЧХ), представляющая собой зависимость модуля коэффицие^а усилешия
                                  KU (ю) = |£U (j' ®)1 от частоты
Ки(ю)д                           f или ю = 2nf (см. рис. 4);

Рис. 4. Амплитудо-частотаая и фазочастотаая характеристики

     3)   фазочастотная характеристика (ФЧХ), зачастую име^уемая просто фазовой характеристикой , представляет собой зависимость угла сдвига по фазе выходного сигнала отаосительно выходо-го ф от частоты ю (рис. 4);
     АЧХ и ФЧХ ^азывают-ся частотаыми характеристиками усилителя.

12