Чем отличаются схемы унч и увч

3.7 Усилитель высокой частоты

Усилителя высокой частоты в приемнике являются усиление колебаний высокой частоты, полученных в антенне под действием радиоволн, и повышение ‘избирательности приемника.

В отличие от усилителей низкой частоты, которые служат для усиления колебаний во всем диапазоне звуковых частот, усилители высокой частоты должны усиливать колебания не всех частот сразу, а только одной определенной высокой частоты или некоторой сравнительно узкой полосы высоких частот.

Это достигается применением настроенных в резонанс колебательных контуров, и потому усилители высокой частоты иногда называют резонансными усилителями.

Рисунок 17 ­ Усилитель высокой частоты

Фильтр нижних частот (ФНЧ) — электронный или любой другой фильтр, эффективно пропускающий частотный спектр сигнала ниже некоторой частоты (частоты среза) и уменьшающий (подавляющий) частоты сигнала выше этой частоты. Степень подавления каждой частоты зависит от вида фильтра.

Рисунок 18 ­ фильтр нижних частот

Смеситель — в радиотехнике — устройство (обычно узел преобразователя частоты), в котором колебания принимаемого сигнала взаимодействуют (смешиваются) с колебаниями от вспомогательного генератора (гетеродина), в результате чего возникают колебания промежуточной (разностной, реже суммарной) частоты.

Рисунок 19 ­ смеситель

3.8 Упч-унч

Усилитель промежуточной частоты (УПЧ)-электронный усилитель сигнала промежуточной частоты.

Применяется в трактах радиоприёмных и радиопередающих устройств, измерительных приборов. Широко используются при построении систем связи, радиолокации, радионавигации. Благодаря применению УПЧ достигается полная развязка между каскадами усиления в многокаскадных усилителях. Без применения УПЧ даже слабые наводки, создаваемые верхними каскадами усилителя, попадая в нижние каскады, вызвали бы эффект самовозбуждения колебаний, сделав невозможной работу усилителя.

Рисунок 20 ­ Усилитель промежуточной частоты

Основное назначение УНЧ – усиливать мощность сигнала, т.е. при подаче на вход УНЧ электрического сигнала малой мощности получать на нагрузке сигнал той же формы, но большей мощности. Для усиления мощности УНЧ преобразует энергию источника питания с помощью усилительных приборов. В некоторых случаях УНЧ имеет и вспомогательное значение –осуществляет коррекцию формы сигнала.

Рисунок 21 ­ Усилитель низкой частоты

Полосно-пропускающий фильтр — фильтр, который пропускает частоты, находящиеся в некоторой полосе частот.

Полосовой фильтр — линейная система и может быть представлен в виде последовательности, состоящей из фильтра нижних частот и фильтра верхних частот.

Рисунок 22 ­ полосовой фильтр

Инвертор — устройство для преобразования постоянного тока в переменный с изменением величины частоты и напряжения.

Обычно представляет собой генератор периодического напряжения, по форме приближённого к синусоиде, или дискретного сигнала.

Рисунок 23 ­ Инвертор

Одновибратор — это устройство, которое по внешнему сигналу выдает один-единственный импульс определенной длительности, не зависящей от дли­тельности входного импульса. Запуск происходит либо по фронту, либо по спаду входного импульса.

Рисунок 24 ­ Одновибратор

Автоматическая регулировка усиления — процесс, при котором выходной сигнал некоторого устройства, как правило электронного усилителя, автоматически поддерживается постоянным по некоторому параметру (например, амплитуде простого сигнала или мощности сложного сигнала), независимо от амплитуды (мощности) входного сигнала.

Рисунок 25 ­ Автоматическая регулировка усиления

Подавитель шума — процесс устранения шумов из полезного сигнала с целью повышения его субъективного качества. Методы шумоподавления концептуально очень похожи независимо от обрабатываемого сигнала, однако предварительное знание характеристик передаваемого сигнала может значительно повлиять на реализацию этих методов в зависимости от типа сигнала.

Усилители высокой частоты

Назначение, классификация и основные показатели. Усилителями высокой частоты (УВЧ) или радиочастоты называют усилительные каскады, включаемые непосредственно за входной цепью радиоприемника. Такие усилители предназначены:

• • для повышения уровня мощности сигналов на несущей радиочастоте без существенных изменений спектра с целью уменьшения коэффициента шума и повышения чувствительности приемника;
• • для обеспечения требуемой избирательности по зеркальному и другим дополнительным каналам в приемнике супергетеродинного типа или по соседнему каналу в приемнике прямого усиления.

К основным классификационным признакам УВЧ следует отнести:

• • абсолютные значения усиливаемых частот (умеренно высокие частоты, сверхвысокие частоты);
• • способ настройки (настройка на фиксированную частоту, настройка в диапазоне частот);
• • число каскадов или транзисторов (один или два);
• • вид нагрузки (резистивная, один или два колебательных контура);
• • вид связи с входной цепью и смесителем (емкостная, автотрансформаторная, индуктивная связь);
• • способ питания базовых и коллекторных цепей транзистора (последовательный, параллельный).

Для характеристики УВЧ используют следующие показатели:

• • максимальный коэффициент усиления по напряжению (или мощности) на несущей частоте;
• • устойчивый коэффициент усиления по напряжению;
• • избирательность;
• • коэффициент шума;
• • диапазон рабочих частот;
• • динамический диапазон.

Схемы УВЧ. Известно [23], что коэффициент шума N приемника определяется собственными шумами и усилением мощности его первых каскадов (рис. 1):

Из выражения (1) следует, что для уменьшения N необходимо уменьшать собственные шумы N_> УВЧ (совместно с входной цепью и антенной) и увеличивать его коэффициент усиления мощности К_Р1. При К_Р1 > 10 собственные шумы преобразовате-

Рис. 1

ля частоты (ПЧ) и усилителя промежуточной частоты (УПЧ) практически не оказывают влияния на коэффициент шума приемника. По этой причине УВЧ содержит один-два усилительных каскада.

На умеренно высоких частотах наибольшее распространение нашла схема УВЧ с ОЭ, позволяющая получить максимальное усиление номинальной мощности при небольшом уровне собственных шумов. На рис. 2 изображены два варианта схем с ОЭ перестраиваемых УВЧ. В схеме на рис. 2, а используется последовательное питание базовой и коллекторной цепей. Напряжение смещения снимается с резисторного делителя напряжения R₆₁, Я_б2 и подается на базу транзистора через катушку индуктивности контура входной цепи L_KC_K. Блокировочный конденсатор С_бл выполняет две функции:

• разделяет точку съема напряжения смещения от общей точки схемы, обеспечивая доступ постоянного напряжения на базу;

• совместно с конденсатором С_э подключает источник сигналов непосредственно к переходу база-эмиттер транзистора, минуя делитель напряжения К_б1, Я_б2.

Параллельная цепь R₃C₃ служит для стабилизации режима по постоянному току с сохранением усиления каскада.

Напряжение питания на коллектор поступает от источника Е_к через фильтр ЯфСф, который служит для развязки УВЧ по цепи питания от других каскадов приемника, и выходной контур L_KC_K. Конденсатор фильтра С_ф выполняет функции, сходные с С_бл.

В схеме УВЧ с параллельным питанием базовой и коллекторной цепей (рис. 2, б):

• • в базовой цепи источник сигналов, которым служит входная цепь L_KC_K, и источник напряжения смещения в виде резисторного делителя напряжения разделены по постоянному току с помощью конденсатора С_р, который также обеспечивает непосредственный доступ сигнала на базу транзистора;
• • в коллекторной цепи по такому же принципу с помощью конденсатора С_р разделены источник питания коллектора постоянным напряжением и выходной 1_кС_к-контур (нагрузка). Напряжение питания на коллектор транзистора подается через дроссель, который не ухудшает добротности выходного контура, внося в него лишь небольшую расстройку.

На рис. 3 приведены схемы УВЧ с ОБ, которые находят применение в УКВ-диапазоне благодаря большому значению устойчивого коэффициента усиления.

В отличие от каскадов с ОЭ в УВЧ с ОБ источник сигналов в виде 1_кС_к-контура входной цепи включается в эмиттерную цепь транзистора последовательно (рис. 3, а) или параллельно (рис. 3, б) резистору Я_э. Напряжение смещения на базу при обоих способах питания базовых цепей подается с резистивного делителя напряжения, при этом база по высокой частоте подключена к общей точке схемы через малое сопротивление конденсатора С_б. Коллекторные цепи не имеют отличий от схемы УВЧ с ОЭ.

Среди двухкаскадных схем УВЧ следует выделить каскадную схему ОЭ-ОБ, совмещающую в себе достоинства обеих схем. На рис. 4 приведена каскадная схема УВЧ с последовательным питанием базовой и коллекторной цепей. В этой схеме используется непосредственная связь между каскадами с ОЭ и ОБ. Напряжение смещения на базы транзисторов VTj, VT₂ подается через делитель напряжения, составленный из резисторов Я_б1, R₆₂, R₆₃. Схемы входной и выходной цепей не отличаются от аналогичных цепей каскадов с ОЭ и ОБ.

Исходные данные для оценки свойств УВЧ. В качестве объекта для выявления усилительных и избирательных свойств, определения устойчивого коэффициента усиления и коэффициента шума УВЧ воспользуемся обобщенной схемой, изображенной на рис. 5.

На схеме обозначено: 1_А, У_А — источник сигналов (антенна) и его внутренняя проводимость; У_к1 — контур входной цепи; У_к2 — выходной контур УВЧ; У_н — проводимость нагрузки; 1—1, 2—2 — входные и выходные зажимы четырехполюсника с У-па-

раметрами, отображающего транзисторы УВЧ с цепями питания по постоянному току; р_хд = U_A/U_{Kь 2} = Ui/U_Ki — коэффициенты включения антенны и входа УВЧ к контуру входной цепи; р₂,1 — ^г/^к2> p_2j2 = U_k/U_k2 — коэффициенты включения выходной цепи УВЧ и нагрузки к выходному контуру.

Используя У-параметры для различных способов включения транзисторов в усилительных каскадах, можно определить показатели и характеристики различных типов УВЧ.

Усилительные и избирательные свойства УВЧ. Для обобщенной схемы замещения УВЧ с автотрансформаторной связью, представленной на рис. 5, определим коэффициент усиления по напряжению и выявим его зависимость от частоты входного сигнала. Запишем выражение для коэффициента усиления по напряжению в следующем виде:

Для определения коэффициента усиления К_у четырехполюсника воспользуемся результатами, полученными в параграфе 1.2:

После подстановки (3) в (2) получим

где У_Э2 — эквивалентная проводимость контура с учетом нагрузки и транзистора.

Из (4) находим модуль коэффициента усиления:

где i;₂, Qa2i/o2 — соответственно обобщенная расстройка, эквивалентная добротность и резонансная частота выходного контура; А/ = /-/о2 — абсолютная расстройка.

Как следует из выражения (5) для коэффициента усиления, избирательные свойства УВЧ определяются амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) колебательного контура с учетом нагрузки и выходной проводимости транзистора.

Полученное выражение (5) справедливо для схем УВЧ с ОЭ, ОБ и каскадной схемы, кроме того, влиянием выходной проводимости транзистора на G₃₂ можно пренебречь, приняв G₃₂

С_К2 + Р2,2^н- Поэтому при настройке колебательного контура в резонанс получаем

Исследовав функцию (6) на максимум, найдем оптимальные значения коэффициентов связи транзистора и нагрузки с контуром:

После подстановки (7) в (6) определяется максимальный коэффициент усиления УВЧ при настройке контура в резонанс на частоту сигнала:

Устойчивый коэффициент усиления. Наличие внутренней обратной связи в транзисторе, обусловленной проводимостью У₁₂, может привести к регенерации и даже к самовозбуждению УВЧ, и он перестанет выполнять свои функции. Это обстоятельство можно объяснить тем, что:

• • в усилителях с колебательными контурами во входной и выходной цепях фазовые углы коэффициентов передачи сигнала в прямом и обратном направлениях изменяются в широких пределах при изменении частоты, и на некоторых частотах может возникнуть положительная обратная связь;
• • проводимость | У₂11 увеличивается с ростом частоты, так как носит емкостный характер, и поэтому увеличивается коэффициент передачи сигнала в обратном направлении.

Представляет интерес определение устойчивого коэффициента усиления УВЧ, при котором внутреннюю обратную связь можно считать отсутствующей, т. е. полагать У₁₂

0. Для этого воспользуемся схемой на рис. 5.

Определим проводимость, подключенную к входным зажимам 1—1 усилителя:

где У_вх — входная проводимость УВЧ, определяемая формулой (5) в параграфе 1.2.

Воспользовавшись (9), запишем условие самовозбуждения У]_] = 0 УВЧ в следующем виде:

В дальнейшем полагаем, что полные проводимости обоих контуров одинаковые, т. е.

где ?, — обобщенная расстройка; G₃ — проводимость контуров на резонансной частоте со ; Q₃ — эквивалентная добротность.

После подстановки (11) в (10) условие самовозбуждения можно записать в виде

где угол 0 является аргументом произведения Y_i2Y2.

Перепишем (12) в виде двух равенств, которые в теории самовозбуждения называются балансом амплитуд и балансом фаз:

Из (14) находим обобщенную расстройку (по сути дела,частоту), при которой выполняется баланс фаз, т. е. фаза сигнала, поступающего по цепи обратной связи, совпадает с фазой входного сигнала:

После подстановки (15) в (13) получим условие самовозбуждения УВЧ. Если в правую часть (13) вместо единицы подставить коэффициент к s > определим угол 0:

Преобразуем выражение (17) к виду

Используя (18) и учитывая, что резонансный коэффициент усиления УВЧ с ОЭ = р₂ ip₂,2$/С_э (6), перепишем (16) в следующем виде:

Устойчивый коэффициент усилителя определяется из (19) при значениях коэффициента к — 0,1-^0,2:

При соС₁₂ G₁₂ и pi ₂ = Рг, 2 выражение для устойчивого коэффициента усиления приобретает форму

полученную впервые В. И. Сифоровым для ламповых усилителей. Выражение (21) используется при расчете устойчивого коэффициента усиления транзисторных УВЧ с ОЭ.

Для определения устойчивого коэффициента усиления каскада с ОБ воспользуемся следующими соотношениями между У-параметрами: У[ _2>об

Для этого случая

и выражение для определения устойчивого коэффициента усиления имеет вид

Из последнего выражения находим

Общие сведения о собственных шумах. Собственными шумами усилителя называют ЭДС и токи, образующиеся в его отдельных элементах за счет флуктуаций носителей электрических зарядов. Источниками собственных шумов являются резисторы, контуры и транзисторы. При движении в проводящей среде (проводнике) электроны сталкиваются друг с другом и отдельными атомами среды. При столкновении изменяются направление и скорость их движения. Перемещение от одного столкновения до другого можно рассматривать как элементарный импульс тока. Совокупность всех движущихся импульсов представляет собой шумовой ток, протекающий через сечение проводника и создающий шумовое напряжение на его зажимах. Длительность элементарного импульса флуктуационных шумов, определяемая как длительность между двумя столкновениями электронов, составляет 1СГ 13 с, что соответствует ширине равномерного спектра до 10 12 Гц. Следовательно, флуктуационые шумы, создаваемые проводником, действуют во всех освоенных в настоящее время радиодиапазонах.

Шумы резисторов и контуров. Известно, что средний квадрат шумового тока и напряжения комплексных проводимости Y и сопротивления Z в полосе частот^ —/₂ определяются следующими выражениями:

где к = 1,38-10″ 23 Дж/К — постоянная Больцмана; Т — абсолютная температура в градусах Кельвина (К); Re(F), Re(Z) — активные составляющие комплексных проводимости и сопротивления.

Для резистора с сопротивлением R выражение (22) для среднего квадрата шумового напряжения принимает вид

Для параллельного колебательного контура, активная составляющая сопротивления R(f) которого зависит от частоты, получаем

где /о — резонансная частота контура; R₃ — сопротивление контура на/ ; Од — эквивалентная добротность контура; П₃ = 0,5л/ /Оэ = = 1,57П_{0 707} — эффективная шумовая полоса контура; П_{0 707} — энергетическая полоса контура на уровне 0,707.

Под эффективной шумовой полосой контура понимают ширину полосы, при которой на активном сопротивлении R₃ выделяется такая же мощность шумов или средний квадрат шумового напряжения, какую создает колебательный контур. Сказанное иллюстрируется с помощью рис. 6. Площадь прямоугольника с основанием П_э и высотой R , должна быть равна площади под функцией R(f). Эффективная шумовая полоса контура в 1,57 раз шире энергетической полосы.

Шумовые свойства резисторов и контуров можно отображать с помощью шумовых схем замещения, составленных из источника шума в виде ЭДС U_m или генератора тока 1_Ш и нешумящего активного сопротивления или проводимости (рис. 7). Действующие значения ЭДС и токов источников шумов определяются по формулам

При последовательном включении п источников целесообразно каждый из них представлять генератором шумового напряжения с действующим напряжением и сопротивлением, определяемыми следующими выражениями:

Шумы приемной антенны. На выходе приемной антенны действуют шумы сопротивления Я_п потерь антенны и шумы, возникающие вследствие приема внешних излучений (космоса, атмосферы, Земли), которые удобно отнести к сопротивлению R_y излучения:

где К_Л = Ri + Rnl Та =

ЕГ Т + 7V — температура, до которой нуж-

но нагреть сопротивление R_y, чтобы его шумовая мощность была равна мощности в антенне, создаваемой внешними шумовыми излучениями.

Шумы транзисторов. В биполярных транзисторах внутренние шумы обусловлены распределенными омическими сопротивлениями полупроводника, процессами инжекции носителей через электроннодырочные переходы, процессами генерации и рекомбинации в объеме полупроводника и поверхностными токами утечки.

Тепловые шумы транзисторов определяются в основном распределенным сопротивлением базы Я_б, значительно превышающим распределенные сопротивления коллектора и эмиттера.

Дробовые шумы обусловлены случайными характерами инжекции носителей тока через электронно-дырочный переход и генерации носителей в области базы.

Шумы токораспределния вызваны неравномерным распределением эмиттерного тока между базой и коллектором.

В эквивалентной шумовой схеме используются два источника шумов:

• генератор шумового тока, учитывающий тепловые, дробовые шумы и шумы токораспределения базы. Эти шумы относят к активной составляющей входной проводимости транзистора G_n и оценивают относительной шумовой температурой входной проводимости [23]:

где е = 1,6 • 10

Первое слагаемое отражает дробовые шумы и шумы токораспределения, второе — тепловые шумы базы;

• генератор шумового напряжения, учитывающий дробовые шумы и шумы токораспределения коллектора. В качестве шумового параметра используют шумовое сопротивление:

Источники включают в базовую цепь транзистора, сам транзистор является нешумящим.

Коэффициент шума УВЧ. На основании схемы УВЧ (см. рис. 5) составим эквивалентную шумовую схему, состоящую из шумовых схем антенны, контура входной цепи и транзистора, изображенного в виде четырехполюсника. Выходной контур УВЧ представляет собой эквивалент источника для следующего каскада и поэтому не учитывается. Эквивалентная шумовая схема УВЧ на резонансной частоте приведена на рис. 8. На схеме обозначено: g_A, g_K — активные проводимости антенны и контура входной цепи, пересчитанные к входным зажимам УВЧ с помощью коэффициентов включения р_г х и р_г 2; Аиа> Auk> /_ш11, Ущ — соответственно источники тока шумов антенны, входной цепи, транзистора, учитывающие тепловые, дробовые шумы и шумы токораспределения базы, и источник напряжения шумов, учитывающий дробовые шумы и шумы токораспределения коллектора. Ниже приведены выражения для средних квадратов шумовых токов и напряжения:

Заменим шумовой источник напряжения эквивалентным ему шумовым источником тока:

Шумовой источник тока 1_Ш подключается параллельно другим шумовым источникам тока, при этом в эквивалентную шумовую схему не вносится никакой проводимости. Это обусловлено тем, что шумовая ЭДС и_ш не имеет собственного сопротивления и создаваемые ЭДС шумы относят к воображаемому сопротивлению Я_ш.

Известно несколько эквивалентных определений коэффициента шума и равноценных способов его оценки [16]. Для рассматриваемой шумовой схемы коэффициент шума целесообразно определять как отношение суммы усредненных квадратов всех шумовых токов во входной цепи УВЧ к усредненному квадрату шумового тока, создаваемого антенной [23]. Использовав (23), (24), получаем

Отметим, что соотношение (25) для коэффициента шума справедливо для различных схем УВЧ при использовании биполярных и полевых транзисторов.

XI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум — 2019

В отличие от усилителей низкой частоты, которые служат для усиления колебаний во всем диапазоне звуковых частот, усилители высокой частоты должны усиливать колебания не всех частот сразу, а только одной определенной высокой частоты или некоторой сравнительно узкой полосы высоких частот. Это достигается применением настроенных в резонанс колебательных контуров, и потому усилители высокой частоты иногда называют резонансными усилителями [ 1].

С учетом расположения в приёмнике каскадов УВЧ они должны обладать амплитудно-частотными характеристиками близкими к оптимальным, иметь возможно малый коэффициент шума. Для обеспечения определенной избирательности и ослабления действий помех в усилителях высокой частоты используется частотно-зависимая нагрузка, обладающая резонансными свойствами.

Классификация УВЧ осуществляется по следующим признакам:

-По типу активного элемента;

-По числу каскадов;

-По схемам применяемых резонансных систем;

УВЧ характеризуются следующими показателями:

Величина коэффициента усиления и постоянство его в диапазоне частот;

Избирательность и полоса пропускания;

Диапазон рабочих частот;

Степень искаженности сигнала;

Устойчивость и надежность;

Мощность потребляемая от источника питания;

Габариты, вес и стоимость.

Коэффициент усиления.

Коэффициентом усиления принято считать отношение

при настройке контуров на резонансную частоту. Значит это отношение амплитуд напряжений выхода и входа.

Для увеличения коэффициента усиления используют последовательное соединение нескольких каскадов

Избирательность усилителя.

Избирательность усилителя определяется его резонансной кривой.

Оценить избирательность можно графически, когда по оси абсцисс откладывают величину расстройки ,

где — собственная резонансная частота.

По оси ординат откладывается величина ослабления ,

где — коэффициент усиления при расстройке

численно значение избирательности резонансных усилителей задаётся величиной требующего ослабления , при заданной расcтройке . Поскольку, для увеличения ослабления необходимо ослабление резонансной кривой, то задаётся минимально допустимой полосой пропускания усилителя , которая определяется шириной спектра усиливаемого сигнала.

Коэффициент шума.

Используется для повышения чувствительности УВЧ, в тех случаях, когда он позволяет снизить коэффициент шума приемника. Это будет в случае, когда усилителя меньше чем у последующих каскадов.

Диапазон рабочих частот.

Диапазон рабочих частот определяется интервалом . принимаемых сигналов. В связных вычислительных приёмниках, в общем диапазоне частот могут быть нерабочие участки.

Диапазон рабочих частот считается перерывающимся, если усилитель можно настроить на любую частоту диапазона и при этом его коэффициент усиления, избирательность и другие параметры будут в пределах заданного значения.

Частотные искажения определяются формой резонансной кривой усилителя. Допустимым считается неравномерность усиления по основным составляющим спектра сигнала порядка 3дб [3].

Динамический диапазон.

Динамический диапазон определяется отношением:

— максимальная амплитуда, при которой имеют место допустимые искажения.

— зависит от типа активного элемента, выбора режима его работы и от нормальной величины усиливаемого сигнала .

можно оценить по амплитудной характеристике .

С динамическим диапазоном связаны и нелинейные искажения т.к. они тем меньше, чем меньше амплитуда сигнала и линейная амплитудная характеристика. Амплитуда полезного сигнала на выходе УВЧ порядка 0,01 0,1 В, поэтому существенные нелинейные искажения могут возникнуть лишь при наличии на выходе более мощных сигналов, что может быть сравнительно редко.

Нелинейные искажения могут возникнуть за счет неточной настройки УВЧ на частоту полезного сигнала, но при расстройке значительно меньше полосы пропускания искажения невелики [5].

Устойчивость работы УВЧ.

Устойчивость работы УВЧ определяется отсутствием самовозбуждения и склонности к нему, а также способностью усилителя сохранять коэффициент усиления, избирательность, перекрытие диапазона рабочих частот, коэффициент шума и степень искажения усиливаемого сигнала в допустимых пределах при нормальных условиях эксплуатации.

Устойчивость работы усилителя в большой степени обеспечивается ослаблением вредных обратных связей как в каскадах, так и между каскадами.

Схемы усилителей высокой частоты.

Основными особенностями каскадов ВЧ тракта приемника являются:

— Малая амплитуда входных сигналов;

— Наличие резонансной нагрузки;

— Широкий диапазон возможных рабочих частот, при высокой частоте усиливаемых сигналов.

При использовании электронных ламп, в зависимости от места включения нагрузки усилители строятся по схемам с общим катодом, общей сеткой. Общий электрод для токов сигнала часто заземляется и схемы называют с заземленным катодом и сеткой.

В приемниках ДВ, СВ, КВ и МВ обычно применяют схемы с общим катодом, обеспечивающие на этих частотах наибольшее усиление.

В ДМ диапазоне чаще применяются схемы с общей сеткой, позволяющие получить: меньший уровень шумов, более устойчивое усиление.

В транзисторных усилителях аналогично применяются схемы с общим эмиттером и общей базой. По своим усилительным свойствам эти схемы аналогичны ламповым.

Однако следует учитывать, что выходной ток лампы управляется входным напряжением (напряжение на управляющей сетке). Выходной ток транзистора управляется входным током (током базы), т.е. можно считать, что транзисторный каскад является усилителем тока [4].

Относительное изменение усиления при расcтройке.

Относительное изменение усиления при расстройке определяется величиной обобщенной расстройки:

, где -полоса пропускания каскада,

-отклонение частоты от номинала,

, где — ослабление колебательного контура.

, где — обобщенная расстройка.

, где — полоса пропускания.

Обратные связи в увч и методы борьбы с ними.

В УВЧ по мере роста частоты полезного сигнала возрастает вероятность образования положительной обратной связи. В случае сильной ПОС может наступить режим генерирования. При режиме близком к самовозбуждению работа будет нестабильна. В этом случае при незначительном изменении параметров активного элемента коэффициент усиления и полоса пропускания будет резко изменяться.

Причинами образования ПОС в резонансных усилителях являются:

Межэлектродные проводимости активных элементов, связывающие вход и выход каскада;

Общие источники питания в многокаскадных усилителях;

Магнитные и емкостные связи между выходом и входом как анодного каскада, так и всего усилителя.

Положительные обратные связи за счет общих источников питания существенно ослабляются введением в схему развязывающих фильтров и снижения внутреннего сопротивления источника за счет шунтирования его конденсатором достаточно большой ёмкости.

Магнитные и емкостные обратные связи устраняются выбором рациональной конструкции усилителя и экранированием элементов входных и выходных цепей.

— Распологать каскады по прямой, что обеспечивает максимальное расстояние между входом и выходом как всего усилителя, так и отдельного каскада;

— Применять закрытые металлические шасси;

— Ориентировать контурные катушки так, чтобы между ними существовала минимальная магнитная связь;

— Экранировать катушки контуров и блокировочных дросселей;

— Применять магнитные и электростатические экраны между входными и выходными цепями каскадов;

— Рационально выполнять монтаж схемы;

В ряде случаев для повышения коэффициента усиления и сужения полосы пропускания каскада вводят искусственные цепи положительной обратной связи (регенеративные каскады усиления).

При наличии обратной связи и в зависимости от ее вида сдвиг по фазе между сигналами равен 0° или 180°. Это эквивалентно уменьшению или увеличению только активной составляющей входного сопротивления каскада и не влияет на его реактивную составляющую. В этой связи обратные связи иногда называют активными. В случае же, когда сдвиг по фазе между током или напряжением при наличии обратной связи отличен от 0 и 180° связи называют комплексными. В случае, когда сдвиг по фазе между сигналами равен ± 0,5 (90°), обратная связь будет реактивной.

В связи с тем, что цепи обратной связи включают в себя, как правило, реактивные элементы, фаза сигнала на входе усилителя зависит от частоты усиливаемого сигнала.

Следовательно, и характер обратной связи зависит от частоты сигнала.

Это необходимо учитывать особенно при работе усилителя в диапазоне частот, так как на фиксированной частоте за счет подбора элементов, возможно, получить обратную связь чисто активной или чисто реактивной.

Действие цепи обратной связи на параметры каскада усиления можно учитывать следующим образом:

Обратная связь изменяет входное напряжение каскада, что означает изменение общей проводимости на его входе.

Обратная связь изменяет коэффициент усиления каскада и выходную проводимость при постоянстве входных параметро d [2].

Устойчивость работы УВЧ с обратной связью

С учетом изменения амплитуды сигнала на входе каскада усиления при наличии обратной связи, следовательно, и изменения коэффициента усиления общее выражение для коэффициента усиления общее выражение для коэффициента усиления каскада с обратной связи представляется в следующем виде:

где, — модуль коэффициента усиления каскада при разомкнутой цепи обратной связи.

— модуль коэффициент обратной связи;

— сдвиг по фазе для прямого прохождения сигнала (от входа к выходу каскад).

— сдвиг по фазе для прохождения сигнала по цепи обратной связи (от выхода к входу).

При положительной обратной связи коэффициент усиления каскада возрастает тем больше, чем ближе произведение к единице (тем полнее выполняется условие баланса амплитуд). В случае усилитель превращается в генератор.

Если боратная связь не обеспечивает самовозбуждения, но разность близка к нулю, работа каскада становится неустойчивой.

В приемниках устойчивость работы усилителей принято оценивать по изменению входной проводимости первого каскада под воздействием цепей обратной связи.

Упрощенно, условия самовозбуждения каскада усиления за счет воздействия сигнала обратной связи, можно представить выполнением следующих условий:

Эти условия аналогичны условиям баланса фаз и амплитуд в автогенераторе. Если эти условия ни на одной частоте совместно не выполняются, то каскад усиления устойчив.

Для оценки устойчивости работы усилителя в качестве численного критерия использует понятие коэффициент устойчивости.

При обратная связь не действует, усилитель абсолютно устойчив и . И наоборот, при самовозбуждение неизбежно, а . Практически достаточно иметь

Бурлянд В.А., Жеребцов И.П. Хрестоматия радиолюбителя. 1963 г.

Войшвилло Г. В. Усилительные устройства: Учебник для вузов. 2-е изд. — М.: Радио и связь. 1983

Королев Г. В. Электронные устройства автоматики: Учеб. пособие. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Высш. шк.— 1991. — 256 с.

Москатов Е. А. Электронная техника. Специальная редакция для журнала “Радио”. – Таганрог, 2004. – 121 стр.

Усилитель

Электронный усилитель — это усилитель, задача которого состоит в том, чтобы увеличить сигнал по мощности, при этом сохраняя форму усиливаемого сигнала. Более подробно это определение можно прочесть в Википедии. В этой статье мы поверхностно пробежимся по основам теории усилителей.

Что такое усилитель?

В электрических схемах очень часто встречаются сигналы малой мощности. Например, это может быть звуковой сигнал с динамического микрофона

слабый радиосигнал, который ловит из эфира ваш китайский радиоприемник

Либо отраженный сигнал от ракеты противника, который уже потом ловит, усиливает и отслеживает радиолокационная установка. Для примера: зенитно-ракетный комплекс ТОР:

Как вы видите, в электронике абсолютно везде требуется усиление слабых сигналов. Для того, чтобы их усиливать, как раз нужны усилители сигналов. Усилители широко применяются в радиолокации, телевидении, радиовещании, телеметрии, в вычислительной технике, авторегулировании, в системах автоматики и тд.

Что такое черный ящик в электронике

В общем виде усилитель можно рассматривать как черный ящик. Что представляет из себя этот черный ящик? Это ящик. Он черный). А так как он черный, то абсолютно никто не знает, что находится в нем. Остается только предполагать. Но возможен и такой вариант, что мы можем предпринять какие-либо действия и ждать ответной реакции. После ответной реакции этого черного бокса, можно предположить, что находится у него внутри.

То есть по сути черный ящик должен иметь какие-либо «сенсоры» для восприятия информации извне, некий «вход», а также некий «выход» для ответной реакции. То есть подавая на вход какое-либо воздействие, мы ждем ответной реакции черного ящика на выходе.

Пусть в черном ящике будет кот или кошка, но пока никто не знает, что он(а) там есть. Что мы сделаем в первую очередь? Потрясем ящик или пнем по нему, так ведь? Если там кто-то мяукнет, значит однозначно или кошка, или кот). То есть последовала ответная реакция. Как определить дальше кошка или кот? Открываем ящик, и из него вылазит лохматое чудо. Если побежала — значит кошка. Если побежал — значит кот).

Но также в черном ящике может быть абсолютно любое тело или вещество. Для таких ситуаций мы должны провести как можно больше опытов, то есть произвести как можно больше входных воздействий для более точного определения содержимого черного ящика.

В электронике черным ящиком является четырехполюсник. Что вообще такое четырехполюсник? Четырехполюсник — это черный ящик, внутри которого имеется неизвестная электрическая цепь. Здесь мы видим две клеммы на вход, через которые подается входное воздействие и две клеммы на выход, с которых мы уже будем снимать отклик нашего «электрического черного ящика».

Пассивный четырехполюсник

Например, RC-цепь является пассивным четырехполюсником, так как она имеет четыре вывода: два на вход и два на выход, и как мы видим, она не содержит в себе какой-либо источник питания. Эта RC цепочка является пассивным фильтром низкой частоты (ФНЧ).

В пассивных четырехполюсниках напряжение или ток на выходе могут быть больше, чем на входе, но мощность при этом не увеличивается. Как же напряжение или ток на выходе могут быть больше, чем на входе? Здесь достаточно вспомнить трансформатор, а также последовательный и параллельный колебательные контура. Для них точнее было бы определение преобразователи напряжения, но никак не усилитель, так как усилитель должен иметь в своем составе обязательно источник питания, у которого он будет брать энергию для усиления слабого входного сигнала.

Также в пассивном четырехполюснике мощность на выходе никак не будет больше мощности, чем на входе. Если вы этого добьетесь, то сразу же получите вечный источник энергии и Нобелевскую премию в придачу. Но помните, что закон сохранения энергии, который впервые был еще сформулирован Лейбницем в 17 веке, никто не отменял.

Активный четырехполюсник

А вот этот четырехполюсник мы будем уже называть активным, так как он имеет в своем составе источник питания +U_пит , которое требуется для того, чтобы усиливать сигнал.

То есть мы здесь видим две клеммы на вход, на которые загоняется сигнал U_вх , а также видим две клеммы на выход, где снимается напряжение U_вых . Питается наш четырехполюсник через +U_пит , в результате чего, в данном случае, сигнал на выходе будет больше, чем сигнал на входе.

Загоняя на вход такой схемы синусоиду, на выходе мы получим ту же самую синусоиду, но ее амплитуда будет в разы больше.

Это, конечно же, верно для идеального усилителя, т.е. абсолютно линейного и без ограничения на амплитуду входного и выходного сигнала. В реальных усилителях, требуется чтобы амплитуда не превышала допустимую и усилитель был правильно спроектирован. Кроме того, любой реальный усилитель вносит искажения и характеризуется коэффициентом нелинейных искажений (КНИ) и еще многими другими параметрами, которые мы рассмотрим в следующей статье.

В активном четырехполюснике, одним из которых является усилитель мощности, мощность на выходе будет больше, чем на входе. Естественно, при этом не нарушается закон сохранения энергии, так как мощность, которая выделяется на нагрузке — это преобразованная мощность источника питания. Входной слабый сигнал просто управляет этой мощностью. Более подробно можно прочитать в статье про принцип усиления транзистора.

В электронике мы будем рассматривать усилитель, как активный четырехполюсник, на вход которого подается маломощный сигнал U_вх, а к выходу цепляется нагрузка R_{н .}

Обобщенная схема усилителя

Она выглядит примерно вот так:

Как мы можем видеть на схеме, ко входу усилительного каскада через клеммы 1 и 2 подсоединяется какой-либо источник слабого сигнала с ЭДС E_И и внутренним сопротивлением R_И . Именно этот слабый сигнал с этого источника мы будем усиливать. Далее, как и полагается, каждый усилитель обладает своим каким-либо входным сопротивлением R_вх . Сила тока I_вх в цепи E_И —>R_И—>R_вх , как ни трудно догадаться, будет зависеть от входного сопротивления усилительного каскада R_вх .

Как вы уже знаете, источник питания играет главную роль в усилительном каскаде. Маломощный слабый сигнал управляет расходом энергии источника питания. В результате на выходе мы получаем умощненную копию входного слабого сигнала. Усиление произошло благодаря тому, что источник питания давал свою мощность для усиления входного сигнала. Ну как-то вот так).

В выходной цепи усилителя мы получаем усиленный сигнал с ЭДС (Что такое ЭДС) E_вых и выходным сопротивлением R_вых . Через клеммники 3 и 4 мы цепляем нагрузку R_н , которая уже будет потреблять энергию усиленного сигнала. Сила тока в цепи E_вых —> R_вых —> R_н будет зависеть от сопротивления нагрузки R_н .

Типы усилителей

Усилители можно разделить на три группы:

Усилитель напряжения

Усилитель напряжения (УН) усиливает входное напряжение в заданное число раз. Этот коэффициент называется коэффициентом усиления по напряжению и вычисляется по формуле:

K_U — это коэффициент усиления по напряжению

U_вых — напряжение на выходе усилителя, В

U_вх — напряжение на входе усилителя, В

Выходное усиленное напряжение не должно меняться от тока нагрузки, а следовательно, и от сопротивления нагрузки. В идеале, выходное сопротивление R_вых должно быть равно нулю, что недостижимо на практике. Поэтому, УН стараются проектировать так, чтобы минимизировать выходное сопротивление R_вых .

В таком режиме усилитель работает, если выполняются условия, что R_вх намного больше, чем R_вых т. е. R_вх >>R_и и R_н намного больше, чем R_вых (R_н >>R_вых ). Чем больше номинал R_н , тем лучше для усилителя напряжения, так как нагрузка не будет просаживать выходное напряжение U_вых. Здесь все просто: чем меньше сопротивление нагрузки, тем бОльшая сила тока будет течь по цепи E_вых —> R_вых —> R_н , тем больше будет падение напряжения на выходном сопротивлении R_вых , исходя из формулы ЭДС: E_вых =I_выхR_вых +I_выхR_н . Об этом можно более подробно прочитать в статье Закон Ома для полной цепи.

Усилитель тока

Усилитель тока (УТ) усиливает входной ток в заданное число раз. Этот коэффициент называется коэффициентом усиления по току и вычисляется по формуле:

где K_I — коэффициент усиления по току

I_вых — сила тока в цепи нагрузки, А

Смысл работы усилителя тока такой: при определенной силе тока во входной цепи, на выходе в цепи нагрузки мы получаем силу тока, бОльшую в K_I раз, независимо от того, какое значение принимает номинал нагрузки. Здесь уже работает простой закон Ома I=U/R.

Если сила тока должна быть постоянной, а значение сопротивления у нас может быть плавающим, то для поддержания постоянной силы тока в цепи нагрузки у нас усилитель автоматически изменяет напряжение U_вых на нагрузке. В результате, ток как был постоянной величиной, так и остался. Или буквами: R_н =var, Iвых= const.

Объяснение выше вы будете рассказывать своему преподу по электронике, а теперь объяснение для полных чайников. Итак, во входной цепи E_и —>R_и —>R_вх пусть у нас течет сила тока в 10 мА. Коэффициент K_I =100, следовательно, на выходе в цепи нагрузки E_вых —>R_вых —> R_н будет течь ток с силой в 1 А (10мА х 100). Но сам по себе такой ток не будет ведь гулять по этой цепи. Ему надо создать условия для протекания. Допустим, у нас нагрузка 10 Ом. Какое тогда напряжение должно быть в этой цепи для получения силы тока в этой цепи в 1 А? Вспоминаем дядюшку Ома: I=U/R. 1=U_вых /10, получаем U=10 В. Вот такое напряжение нам будет выдавать усилитель тока на выходе.

Но что, если нагрузка поменяет свое значение? Ток должен остаться таким же, не забывайте, то есть 1 А, так как это у нас усилитель тока. В этом случае, чтобы сила тока в цепи оставалась 1 А усилитель автоматически поменяет свое значение напряжения на выходе U_вых на 1=U_вых /5. U_вых =5/1=5 В. То есть на выходе у нас уже будет 5 Вольт.

Но также не забываем еще об одном параметре, который у нас находится в выходной цепи усилителя тока. Это выходное сопротивление R_вых . Поэтому, нам необходимо, чтобы выполнялось условие: R_вх << R<sub>и и R_н << R<sub>вых при которых обеспечивается заданный ток в нагрузке при малом значении напряжения.

Усилитель мощности

Раньше было очень круто и модно собирать усилители мощности (УН) своими руками, включить Ласковый Май и вывернуть громкость на всю катушку. Сейчас же УМ может собрать или купить каждый, благо интернет и Алиэкпресс всегда под рукой.

Чем же УМ отличается от УН и УТ?

Если в УТ мы увеличивали только силу тока, в УН — напряжение, то в УМ мы увеличиваем в кратное число раз ток и напряжение.

Формула мощности для постоянного и переменного тока при активной нагрузке выглядит вот так:

Следовательно, коэффициент усиления по мощности запишется как:

K_P — коэффициент усиления по мощности

P_вых — мощность на выходе усилителя, Вт

P_вх — мощность на входе усилителя, Вт

Для усилителя мощности условия согласования входной цепи с источником входного сигнала и выходной цепи с нагрузкой для передачи максимальной мощности имеют вид: R_вх ≈ R_и и R_н ≈ R_{вых .}

Также не забывайте, что нагрузки могут быть как чисто активными (типа лампочки накаливания, резистора, различных нагревашек), так и иметь реактивную составляющую (катушки индуктивности, конденсаторы, двигатели и тд).

Выходная мощность усилителя

Выходная мощность усилителя, отдаваемая в активную нагрузку, будет выражаться формулой:

P_вых — выходная мощность усилителя, Вт

I_вых — сила тока в цепи нагрузки, А

U_Вых — напряжение на нагрузке, В

Мощность на нагрузку с реактивной составляющей будет уже выражаться через формулу:

P_вых — выходная мощность усилителя, Вт

I_вых — сила тока в цепи нагрузки, А

Например, разность фаз между током и напряжением в активной нагрузке равна нулю, следовательно, cos0=1. Поэтому формула для активной нагрузки принимает вид

Более подробно про это можно прочитать в статье про активное и реактивное сопротивление.

Максимальная выходная мощность, при которой искажение сигнала на выходе не превышает качественных значений усилителя, называют номинальной мощностью усилителя.

Ну и обобщенное правило, для того, чтобы было проще запомнить все эти три вида усилителя:

Виды усилителей по полосе пропускания

По ширине полосы пропускания усилители делятся на:

Усилители низкой частоты

Усилители высокой частоты

Широкополосные усилители

Они позволяют усиливать широкую полосу частот (например, от десятков герц до нескольких мегагерц). Здесь, думаю, все понятно.

Узкополосные усилители

Они усиливают узкую полосу частот. Это могут быть резонансные фильтры, а также фильтры, которые строятся на основе УВЧ и УНЧ.

Усилители постоянного тока

Усиливают сколь угодно медленные электрические колебания, начиная с частоты, равной нулю герц (постоянный ток).

Если вы желаете больше знать об усилителях, то читайте статью основные параметры усилителя.