+7 (4912) 24-59-59
г. Рязань, ул. Урицкого, д. 35
Каталог товаров
10 января 2017 г.

Универсальный экономичный усилитель

к.т.н., доцент УТОЧКИН Геннадий Васильевич

к.т.н. РОЗОВ Андрей Валентинович

(ООО "Технический центр ЖАиС")


Принципиальная схема избирательного усилителя на колебательных контурах приведена на рис. 1. и впервые предложена в [1].

Усилитель состоит из трех каскадов на транзисторах VT1-VT3, включенных по схеме с непосредственной связью, причем транзисторы VT1 и VT3 включено по постоянному току последовательно. Входной сигнал с колебательного контура Q1 через катушку связи подается между базой VT1 и общей шиной (нижний конец связи по высокой частоте заземлен через блокировочный конденсатор C1). Дроссель L1 служит для подачи смещения на базу VT1, а его индуктивность выбирается такой, чтобы индуктивное сопротивление на частоте сигнала было в несколько раз большим, чем входное сопротивление транзистора VT2. Второй дроссель L2 служит в качестве коллекторной нагрузки VT1, а его индуктивное сопротивление на частоте сигнала также должно быть намного больше входного сопротивления транзистора VT2.

Эмиттер транзистора VT1 заземлен, поэтому он образует первый каскад усиления по схеме с ОЭ. Усиленный первым каскадом сигнал выделяется на параллельно включенных по высокой частоте дросселях L1 и L2 и подается на базу второго каскада усиления на транизторе VT2, также включенного по схеме с ОЭ. Усиленный вторым каскадом сигнал выделяется на нагрузке R и поступает на базу третьего транзистора VT3, который образует третий каскад усилителя. Конденсатор C2 является блокировочным, поэтому эммиттер транзистора VT3 по высокой частоте заземлен, и он оказывается включенным также по схеме с ОЭ. Выходной сигнал усилителя выделяется на контуре Q2, к которому подключается выходная нагрузка.

Таким образом, все три транзистора в рассматриваемом усилителе включены по схеме с ОЭ и образуют высокочастотный усилитель ОЭ-ОЭ-ОЭ, имеющий наибольший коэффициент усиления по сравнению с другими схемами включения транзисторов в трехтранзисторных усилителях.

Усилитель обладает высокой стабильностью параметров в широком диапазоне температур, что объясняется особенностями схемы включения транзисторов по постоянному току.

По постоянному току транзистор VT1 включен диодом, так какего коллектор и база соединены через низкие сопротивления дросселя L1 и катушки связи Q1. Постоянное напряжение Uкэ=Uбэ транзистора VT1 приложенно между базой и эмиттером транзистора VT2, поэтому оба транзистора образуют по постоянному току источник тока с диодным смещением, в котором осуществляется температурная стабилизация коллекторных токов при условии согласования характеристик транзисторов VT1 и VT2.

Так как транзисторы VT1 и VT3 включены последовательно, то стабилизируется и коллекторный ток трназистора VT3, поэтому токи коллекторов всех трех танзисторов равны и не зависят от температуры, что и определяет стабильность основных параметров усилителяпри изменении температуры. При этом токи коллекторов Iк определются по формуле :

1=Iк2=Iк3=(Е-2Uбэ)/R≈(E-1,4)/R

. Из этой формулы следует, что минимальное напряжение питания усилителя Emin=1,5В.

Рассматриваемый усилитель имеет повышенную стабильность амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) при изменении напряжения питания. Это объясняется тем, что напряжение коллектор-эмиттер Uкэ транзистора VT1 зафиксированно на уровне Uбэ, а напряжение Uкэ транзистора VT2 на уровне 2Uбэ (из-за низкого сопротивления дросселя L2 UкбVT2=UбэVT3), которые достаточно стабильны и мало зависят от токов коллекторов и напряжения питания. Стабильность напряжений Uкэ определяет стабильность емкостей переходов транзисторов, которые во многом влияют на стабильность АЧХ усилителя.

Особенностью работы каскада на транзисторе VT1 усилителя является равенство нулю напряжения Uкб. Это, однако, не отражается на его усилительных свойствах, так как он работает в линейном режиме. Однако при столь низком напряжении линейность передаточной характеристике транзистора VT1 сохраняется только для малых входных сигналов, что в рассматриваемом усилителе не имеет существенного значения из-за его высокого коэффициента усиления.

Из-за особенностей принципиальной схемы усилителя следует, что он обладает повышенной экономичьностью потребляемой энергии от источника питания. Это объясняется тем, что в нем нет ни одного резистора или другого элемента, служащего специально для установки режимов работы транзисторов или их стабилизации, которые потребляли бы дополнительную мощность от источника питания. Единственный резистор R играет роль нагрузки транзистора VT2 и задает токи коллекторов всех трех транзисторов усилителя. При этом следует отметить, что повышение экономичности усилителя не сопровождается ухудшением стабильности режима по постоянному току, а, наоборот, характеризуется его улучшением. Уменьшению потребляемой мощности способствует также пониженное напряжение Uкэ VT1, равное Uбэ, т.е. минимально возможное для нормальной работы транзистора в линейном режиме, а также пониженное напряжение Uкэ транзистора VT2, равное 2Uбэ.

II. Широкополосный усилитель

Принципиальная схема широкополосного усилителя, выполненного на основе рассмотренного избирательного усилителя, приведена на рис.2.

В отличие от резонансоного, в широкополосном варианте усилителя дроссели L1 и L2 заменены на резисторы сравнительно небольшого сопротивления.

Так как падение напряжения на резисторе R1 от протекания базового тока транзистора VT1 не превышает нескольких милливольт, режим работы по постоянному току транзисторов VT1 и VT2 практически такой же, как в усилители рис.1. Из-за падения напряжения на резисторе R4 увеличивается напряжение Uкб транзистора VT2, что повышает его линейность. Из-за того, что резистор R1 по переменному току включен между базой и коллектором транзистора VT1, последний оказывается охваченным параллельной отрицательной связью (ООС), что увеличивает полосу пропускания, уменьшает коэффициент усиления и входное сопротивление усилителя, которое в данной схеме близко к 50 Ом.

Коэффициент усиления схемы определяется величной сопротивления нагрузки R3, а также суммарным сопротивлением резисторов R5 и R6. Конденсаторы C1, C2 и С3 определяют нижнюю граничную частоту усилителя, а цепь R5, R6 и С4 величину подъема АЧХ на высоких частотах и максимальную верхнюю частоту полосы пропускания.

На рис.3 приведены АЧХ усилителя, выполненного на транзисторах КТ399А, при различных напряжениях питания, а на рис.4 зависимость потребляемого усилителем тока от напряжения питания. Из приведенных зависимстей видно, что в усилителе может быть реализирован коэффициент усиления по напряжению 100-130 при полосе пропускания порядка 200мГц. Усилитель сохраняет работоспособность при изменении напряжения питания от 2 до 12В.

Недостатком рассмотренного широкополосного усилителя является низкое входное сопротивление и невысокая нагрузочная способность. На рис.5 приведена схема

широкополосного усилителя, свободного от перечисленных недостатков. Для этого в схему добавлен эмиттерный повторитель на транзисторе VT4, который через элементы R5, R6 и R7 осуществляет глубокую ООС по постоянному току, охватывающую все каскады усилителя. При этом ООС по переменному току исключается благодаря конденсатору С5. В этой схеме исключается параллельная ООС в транзисторе VT1 и существенно повышается его входное сопротивление и коэффициент усиления, а благодаря наличию на выходе эмиттерного повторителя уменьшается выходное сопротивление усилителя и повышается его нагрузочная способность.

На рис.6 приведены АЧХ усилителя, выполненного на четырех транзисторах КТ368Б, при различных напряжениях питания, а на рис.7 зависимость потребляемого тока от напряжения питания.

Из рис.6 видно, что наиболее равномерная АЧХ усилителя получается при напряжении питания 6-7 В, а коэффициент усиления достигает 40 дБ при полосе пропускания 160МГц. Верхняя граничная частота и величина подъема АЧХ определяются элемментами коррекции R4 C2, а также величиной резистора R3.

III. Избирательный усилитель с активной фильтрацией.

Рассматривыемый усилитель может быть использован в качестве избирательного усилителя без применения колебательных контуров. В этом случае применяется метод активной фильтрации

с помощью частотно-зависимой ООС, в результате чего реализуется избирательный усилитель со стабильной АЧХ. Принципиальная схема избирательного усилителя с активной фильтрацией изображена на рис.8.

От варианта широкополосного усилителя схема отличается пониженным током потребления (см. рис.9) из-за увеличения номиналов резисторов R1 и R2, а также наличием конденастора Сэ , включенного между эмиттером транзистора VT3 и общей шиной. При отсутствии конденсатора Сэ усилитель охвачен глубокой ООС по переменному току и его коэффициент усиления оказывается низким.

При наличии конденсатора Сэ определенной величины онобразует с индуктивной состовляющей входного сопротивления транзистора VT3 со стороны эмиттера последовательный резонансный контур, в результате чего глубина ООС на квазирезонансной частоте резко уменьшается, а коэффициент усиления возрастает. Из-за стабильности параметров усилителя по изложенным выше причинам получается высокая стабильность АЧХ усилителя при изменении температуры и напряжения питания.

АЧХ усилителя при некоторых значениях Сэ и различных напряжениях питания приведены на рис. 10 а, б, в.

Из этих рисунков видно, что при увеличении напряжения питания несколько возрастает и квазирезонансная частота, что объясняется уменьшением индуктивной составляющей входного сопротивления VT3 со стороны эмиттера при увеличении тока эмиттера, который растет при увеличении напряжения питания.

При увелечении емкости Сэ квазирезонансная частота уменьшается пропорциально корню квадратному из коэффициента увеличения Сэ, что видно из графика рис.11, где приведена зависимость квазирезонансной частоты fo от емкости Сэ при Е=9В. Максимальная частота для рассматриваемой схемы на транзисторах КТ368 получается 100...130мГц (при Сэ=10 пФ).

Для получения более высокой частоты требуются и более высокочастотные транзисторы. Наименьшая реализованная частота порядка 1,5мГц получена при Сэ=51 пФ.

В предлагаемой схеме избирательного усилителя могут быть получены весьма высокие значения резонансного коэффициента усиления. Это видно из графиков зависимости резонансного коэффициента усиления Ко от частоты при различных напряжениях питания.

Например, на частоте 2 МГц при Е=12В Ко>200 000, а на частоте 26 МГц коэффициент усиления спадает до 13000. При снижении напряжения питание до 6В Ко уменьшается приблизительно в 2 раза.

Одним из основных параметров избирательного усилителя является добротность реализуемого квазирезонансоного контура. Добротность зависит от многих параметров схемы усилителя, но наибольшая зависимость добротности наблюдается от сопротивления резистора R3, установленного в эмиттерной цепи транзистора VT3.

Обобщенная зависимость добротности наблюдается от сопротивления резистора R3 при сопротивлении нагрузки нагрузки 200 Ом приведена на рис.13.

Следует отметить, что с изменением величины R3 изменяется квазирезонансная частота, коэффициент усиления и потребляемый ток (незначительно). Для сохранения частоты необходимо подбирать емкость конденастора Сэ ( при увеличении R3 частота уменьшается, поэтому требуется уменьшать Сэ).

Из привеленного графика видно, что при увеличении R3 увеличивается и добротность, однако при R3≤1,4 кОм зависимость добротности линейная (Q≤8), а при дальйнейшем росте R3 наблюдается резкое увеличение добротности, что приводит к нестабильности полосы пропускания и коэффициента усиления. Поэтому в практических устройствах следует рекомендовать Q≤8...10




1. А.С. №1646045, опубл. 30.04.91, Бюл. №16. Авт. Г.В. Уточкин и И.В. Гончаренко