Усилитель с двойной настройкой

Двухконтурный трансформатор от усилителя промежуточной частоты радиоприёмника со снятой экранировкой

Двухнастроенный усилитель — это настроенный усилитель с трансформаторной связью между каскадами усилителя, в котором индуктивности первичной и вторичной обмоток настраиваются отдельно с конденсатором на каждой. Такая схема обеспечивает более широкую полосу пропускания и более крутые юбки , чем при одинарной настройке .

Существует критическое значение коэффициента связи трансформатора , при котором частотная характеристика усилителя максимально плоская в полосе пропускания , а усиление максимально на резонансной частоте . В конструкциях часто используется связь, превышающая эту (чрезмерная связь), чтобы достичь еще более широкой полосы пропускания за счет небольшой потери усиления в центре полосы пропускания.

Каскадирование нескольких каскадов усилителей с двойной настройкой приводит к уменьшению полосы пропускания всего усилителя. Два каскада усилителя с двойной настройкой имеют 80% полосы пропускания одного каскада. Альтернативой двойной настройке, которая позволяет избежать этой потери полосы пропускания, является ступенчатая настройка . Усилители с ступенчатой ​​настройкой могут быть спроектированы для заданной полосы пропускания, которая больше полосы пропускания любого отдельного каскада. Однако ступенчатая настройка требует большего количества каскадов и имеет более низкий коэффициент усиления, чем двойная настройка.

Типовая схема

Типичный двухкаскадный усилитель с двойной настройкой

Показанная схема состоит из двух каскадов усилителя в топологии общего эмиттера . Все резисторы смещения выполняют свои обычные функции. Вход первого каскада соединен обычным образом с последовательным конденсатором, чтобы избежать влияния смещения. Однако коллекторная нагрузка состоит из трансформатора , который служит межкаскадной связью вместо конденсаторов. Обмотки трансформатора имеют индуктивность . Конденсаторы, размещенные поперек обмоток трансформатора, образуют резонансные контуры , которые обеспечивают настройку усилителя.

Еще одна деталь, которую можно увидеть в этом типе усилителя, — это наличие отводов на обмотках трансформатора. Они используются для входных и выходных соединений трансформатора, а не в верхней части обмоток. Это делается для согласования импеданса ; усилители на биполярных транзисторах (тип, показанный на схеме) имеют довольно высокий выходной импеданс и довольно низкий входной импеданс. Эту проблему можно избежать, используя МОП-транзисторы , которые имеют очень высокий входной импеданс. ^[1]

Конденсаторы, подключенные между нижней частью вторичных обмоток трансформатора и землей, не являются частью настройки. Их цель — развязать резисторы смещения транзистора от цепи переменного тока .

Характеристики

Двойная настройка, по сравнению с одинарной настройкой, имеет эффект расширения полосы пропускания усилителя и круче юбки отклика. ^[2] Настройка обеих сторон трансформатора образует пару связанных резонаторов , что является источником увеличенной полосы пропускания. Коэффициент усиления усилителя является функцией коэффициента связи , k , который связан с взаимной индуктивностью , M , и индуктивностями первичной и вторичной обмоток , L _p и L _s соответственно, соотношением

${\displaystyle M=k{\sqrt {L_{\mathrm {p} }L_{\mathrm {s} }}}}$

Существует критическое значение связи, при котором усиление усилителя максимально при резонансе. Ниже этого критического значения в частотной характеристике наблюдается один пик с амплитудой, достигающей пика при резонансе, и пиком, уменьшающимся по мере уменьшения k . Такой отклик называется недосвязанным. При значениях k выше критического отклик начинает разделяться на два пика. Эти пики становятся уже и дальше друг от друга по мере увеличения k , а зазор между ними (центрированный на резонансной частоте) становится все глубже. Такой отклик называется пересвязанным. ^[3]

Критически связанный усилитель имеет максимально плоский отклик . Такой отклик также может быть достигнут без трансформаторов с двумя каскадами усилителя с разнесенной настройкой . В отличие от разнесенной настройки, двойная настройка обычно настраивает оба резонатора на одну и ту же резонансную частоту . ^[4] Однако разработчик может выбрать проектирование усилителя с пересвязкой, чтобы получить более широкую полосу пропускания за счет небольшого провала (обычно 3 дБ для максимизации полосы пропускания в 3 дБ ) в центре частотной характеристики. ^[5]

Подобно синхронной настройке , добавление дополнительных каскадов усилителей с двойной настройкой приводит к уменьшению полосы пропускания. Полоса пропускания n идентичных каскадов по уровню 3 дБ , как часть полосы пропускания одного каскада, приблизительно определяется по формуле:

${\displaystyle {\sqrt[{4}]{2^{1/n}-1}}}$

Это выражение применимо только к небольшим дробным полосам пропускания. ^[6]

Анализ

Схему можно представить в более общем виде, заменив усилители обобщенным усилителем крутизны , как показано на рисунке.

Общее представление одного каскада двухнастраиваемого усилителя и части следующего каскада

где (опуская суффиксы номеров стадий),

g _m - крутизна усилителей

G _o — выходная проводимость усилителей

G _i — входная проводимость усилителей.

Обычно конструкция делает резонансные частоты и добротности на первичной и вторичной сторонах идентичными, так что,

${\displaystyle \omega _{0}=\omega _{0\mathrm {p} }={1 \over {\sqrt {L_{\mathrm {p} }C_{\mathrm {p} }}}}=\omega _{0\mathrm {s} }={1 \over {\sqrt {L_{\mathrm {s} }C_{\mathrm {s} }}}}}$

и,

${\displaystyle Q=Q_{\mathrm {p} }={1 \over L_{\mathrm {p} }G_{\mathrm {o} }}=Q_{\mathrm {s} }={1 \over L_{\mathrm {s} }G_{\mathrm {i} }}}$

где ω ₀ — резонансная частота, выраженная в единицах угловой частоты , а индексы p и s относятся соответственно к компонентам на первичной и вторичной стороне трансформатора.

Усиление стадии

Частотная характеристика усилителя с двойной настройкой для различных значений связи

При сделанных выше предположениях коэффициент усиления напряжения А одного каскада усилителя можно выразить как

${\displaystyle A=A_{0}\ {\frac {2kQ}{\ 4Q\delta -i\left[\ 1+k^{2}Q^{2}-4Q^{2}\delta ^{2}\ \right]\ }}\ ,}$

где

${\displaystyle \ i\ }$это мнимая единица ${\displaystyle \left(\ i^{2}\equiv -1\ \right),}$

${\displaystyle \ A_{0}\equiv {\frac {g_{\mathrm {m} }}{2{\sqrt {G_{\mathrm {o} }G_{\mathrm {i} }\ }}}}\ }$

это максимальное усиление, которое может обеспечить каскад, и

${\displaystyle \ \delta \equiv {\frac {\ \omega -\omega _{0}\ }{\omega _{0}}}\ }$

частота, выраженная как дробное отклонение частоты от резонансной частоты.

Пиковая частота

При связи ниже критической в ​​отклике наблюдается один пик, возникающий при резонансе. Выше критической связи наблюдается два пика на частотах, определяемых

${\displaystyle \delta _{\mathrm {H} },\delta _{\mathrm {L} }=\pm {1 \over 2Q}{\sqrt {k^{2}Q^{2}-1}}}$

где δ _L и δ _H — соответственно низкая и высокая частоты пиков, выраженные в виде дробного отклонения.

При критической связи или выше пики достигают максимального усиления, доступного для усилителя.

Критическая связь

Критическая связь возникает, когда два пика просто совпадают. То есть, когда

${\displaystyle k^{2}Q^{2}-1=0}$

или

${\displaystyle k={1 \over Q}}$^[7]

Ссылки

1. Бхаргава и др. , стр. 382–383.
2. Гулати, стр. 432
3. • Бакши и Годзе, стр. 5.25
   • Чаттопадхьяй, стр. 195-196
4. Чаттопадхьяй, стр. 196
5. Бакши и Годзе, стр. 5.26
6. Бакши и Годзе, стр. 5.29
7. Бакши и Годзе, стр. 5.20–5.26 (для всего раздела анализа)

Библиография

• Бакши, Удай А.; Годзе, Атул П., Анализ электронных цепей , Технические публикации, 2009 ISBN  8184310471 .
• Бхаргава, НН; Гупта, СЦ; Кулшрешта ДК, Базовая электроника и линейные цепи , Tata McGraw-Hill, 1984 ISBN 0074519654 . 
• Чаттопадхай, Д., Электроника: основы и приложения , New Age International, 2006 ISBN 8122417809 . 
• Гулати, Р. Р., Монохромное и цветное телевидение , New Age International, 2007 ISBN 8122416071 .