МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН

 

Некоммерческое акционерное общество

«Алматинский университет энергетики и связи»

 

 

 

 

Козин И.Д., Федулина И.Н. 

 

ГЕНЕРАТОРЫ, УСИЛИТЕЛИ И ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

МНОГОКАНАЛЬНЫХ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ СИСТЕМ

 

Учебное пособие

                                                         

 

Алматы  2010

  

УДК 621.396.6 (075.8)

ББК 32.85я73

к59 Генераторы, усилители и преобразователи многоканальных телекоммуникационных систем:

Учебное пособие/ И.Д. Козин, И.Н. Федулина;

АУЭС. Алматы, 2010. - 77 с.

 

ISBN 978-601-7098-84-1

 

В учебном пособии приведено  описание способов  и технических средств генерации гармонических, негармонических и импульсных сигналов. Также подробно представлен раздел, в котором рассматриваются принципы и технические средства для  усиления электрических сигналов.  В нём представлены как элементарные устройства, так и операционные усилители, лампы бегущей волны, клистроны и магнетроны.

Учебное пособие предназначено для студентов старших курсов, обучающихся по специальностям 5В071900 – Радиотехника, электроника и телекоммуникации; информационные системы; космическая техника и технологии.

Ил. 64,  библиогр. - 12 назв.

 

РЕЦЕНЗЕНТ: КазАТК, канд. тех. наук, доц. Ж.М. Бекмагамбетова

    АУЭС, канд. тех. наук, проф. С.В. Коньшин

  

Печатается по плану издания Министерства образования и науки Республики Казахстан на 2010г.

 

 

 

 

ISBN 978-601-7098-84-1

 

 

 

 

Ó НАО «Алматинский университет энергетики и связи», 2010 г.

Содержание

 

Введение	5
1 Генерирование электрических колебаний	5
1.1 Колебательные устройства	5
1.1.1 Параллельные колебательные контуры	6
1.1.2 Последовательные (резонансные) колебательные контуры	8
1.1.3 Связанные колебательные контуры	9
1.2 Генераторы незатухающих колебаний	10
1.2.1 Автогенератор	10
1.2.2 Генератор с внешним возбуждением	12
1.3 Генерирование гармонических колебаний	12
1.3.1 LС-генераторы	13
1.3.2 Генераторы на биениях	13
1.3.3 RС-генераторы	14
1.3.4  Кварцевый автогенератор	15
1.4 Генерирование негармонических колебаний	16
1.4.1 Генератор пилообразных сигналов	17
1.5 Генераторы импульсов	17
1.5.1 Мультивибратор	18
1.5.2 Блокинг-генератор	19
1.6 Общие сведения о фильтрах	20
1.6.1 Элементы активных фильтров	20
1.6.2 Цепи дифференцирования	23
1.6.3 Цепи интегрирования	24
2 Преобразование электрических колебаний	24
2.1 Детектирование высокочастотных колебаний	25
2.2  Преобразование частоты	26
2.2.1 Преобразование частоты в аналоговых умножителях	28
2.3 Ограничение амплитуды колебаний	29
3 Усиление электрических колебаний	30
3.1 Основные параметры и классификация усилителей	31
3.1.1 Коэффициент усиления	31
3.1.2 Полоса пропускания усилителя	33
3.1.3 Амплитудная характеристика усилителя	33
3.1.4 Динамический диапазон	34
3.2 Усилители напряжения	36
3.3 Усилители тока	39
3.3.1 Определение коэффициента усиления по току	41
3.4 Усилители мощности	42
3.5 Усилители с обратной связью	43
3.6 Техническая классификация полупровониковых усилителей	47
3.6.1 Схема с общей базой	47
3.6.2 Схема с общим эмиттером	48
3.6.3 Схема с общим коллектором (эмиттерный повторитель)	48
3.7 Усилители на полевых транзисторах	49
3.7.1 Схема с общим истоком	49
3.7.2 Схема с общим стоком	49
3.8 Причины нелинейных искажений	50
3.9 Схема включения транзистора	51
4 Операционные усилители, их основные характеристики и параметры	52
4.1 Определение операционного усилителя	52
4.2 Операционный усилитель (ОУ)	53
4.3 Классификация ОУ	55
4.4 Структурные схемы операционных усилителей	56
4.4.1  Основные параметры ОУ	57
4.5 Идеальный операционный усилитель	59
4.5.1 Дифференциальное включение	59
4.5.2 Инвертирующее включение	60
4.5.3 Неинвертирующее включение	60
4.6 Внутренняя структура операционных усилителей	61
4.7 Стандартная схема операционного усилителя	63
5 СВЧ – техника	63
5.1 Лампа бегущей волны	64
5.1.1 ЛБВ типа О	64
5.1.2 ЛБВ типа М	66
5.2 Клистрон	68
5.2.1 Пролётные клистроны	69
5.2.2 Многорезонаторный клистрон	70
5.2.3 Отражательный клистрон	71
5.3 Магнетрон	73
Список литературы	76

 

Введение 

Основными компонентами большинства приёмо-передающих систем телекоммуникаций являются устройства генерации, преобразования и усиления электрических сигналов. Описанию работы этих устройств посвящено это учебное пособие.

 

1 Генерирование электрических колебаний

 

Под генерированием электрических колебаний понимают преобразование энергии источников питания в энергию электрических колебаний. Устройства, предназначенные для создания электрических колебаний, называются генераторами. Электрические колебания можно получать в результате преобразования энергии источников постоянного тока с помощью активных электронных элементов или в результате преобразования энергии одних электрических колебаний в энергию других с требуемой частотой. Для преобразования энергии одних электрических колебаний в энергию других используются параметрические и квантовые генераторы.

1.1 Колебательные устройства

Реактивные элементы, к которым мы в первую очередь относим индуктивности и ёмкости и их комбинации, обладают способностью запасать и отдавать энергию, следовательно, могут создавать колебательные процессы. Колебательным контуром называется комбинированное устройство, состоящее из индуктивности и ёмкости с малыми потерями.

Колебательные контуры применяют везде, где есть электрические колебания, а контур должен откликаться на эти колебания. Их используют в усилителях высокой частоты, которые называются резонансными. Такие устройства усиливают только колебания тех частот, на которые настроены их колебательные контуры.

Как правило, колебательные контуры работают на частотах, близких к их собственным частотам или равным им.

Полное сопротивление колебательного контура состоит из активных и реактивных сопротивлений - индуктивности и ёмкости.

Реактивное сопротивление индуктивности или ёмкости на резонансной частоте называется характеристическим сопротивлением колебательного контура r, который определяется из соотношения

                                             

где w₀ - резонансная частота контура.

Основным параметром, который характеризует колебательный контур, является добротность, которая обозначается буквой Q. Добротность равна числу колебаний, совершаемых до тех пор, пока их амплитуда не уменьшится примерно до 1/10 первоначального значения. Например, если маятник качнулся 15 раз, то его добротность и равна 15. Добротность механических маятников обычно составляет от 10 до 200. Обычный радиочастотный колебательный LC-контур имеет добротность от 50 до 300. Чем больше добротность, тем медленнее затухают свободные колебания в контурах с одинаковой частотой собственных колебаний. 

Наиболее общее определение добротности рассчитывается соотношением

где Q - добротность колебательного контура;

W_p- энергия, запасаемая в реактивных элементах на резонансной частоте;

А - потери энергии за период;

w - характеристическое сопротивление;

R - сопротивление потерь.

Величина, обратная добротности, называется затуханием колебательного контура d (d = 1/Q).

Состояние контура, при котором реактивные сопротивления; индуктивности и ёмкости взаимно компенсируются (реактивная составляющая входного сопротивления равна нулю) и его полное сопротивление становится чисто активным, называется резонансом, а частота, при которой это имеет место, - резонансной частотой контура w₀:

w₀==2pf₀                                                          (1.1)

где f₀ - циклическая резонансная частота.

Круговая частота источника переменного тока w_ист при резонансе равна частоте собственных колебаний w_соб.

Явления резонанса характерны для всех цепей, в которые включены реактивные элементы.

1.1.1 Параллельные колебательные контуры  Катушка индуктивности и конденсатор имеют по два вывода. Соединив эти выводы между собой, получим параллельный колебательный контур.

Колебательный контур из параллельно соединённых индуктивности L и ёмкости С, причём в цепь индуктивности включено сопротивление её потерь R, показан на рисунке 1.1, а. Если зарядить конденсатор от источника постоянного тока, то конденсатор начнет разряжаться через катушку индуктивности (см. рисунке 1.1, б, положение 0°). Вокруг витков катушки возникает магнитное поле. В катушке создается ток самоиндукции, который увеличивается постепенно от нулевого значения, а напряжение на конденсаторе уменьшаться. При этом запас энергии электрического поля конденсатора уменьшается, а запас энергии магнитного поля катушки увеличивается.

Когда напряжение на конденсаторе упадёт до нуля (см. рисунке 1.1, б, положение 90°), вся энергия электрического поля конденсатора перейдет в энергию магнитного поля катушки, которая достигнет максимального значения (рисунке 1.1, б).В момент, когда конденсатор отдаёт весь свой заряд, ток в катушке достигает максимального значения. После этого катушка возвращает конденсатору энергию, и он запасает столько же энергии, сколько ранее отдал катушке (см. рисунке 1.1, б, положение 180°). После перезарядки конденсатор снова разряжается на катушку, формируя второй полупериод колебания. Таким образом, создаются электрические колебания с поочередным переходом энергии электрического поля конденсатора в энергию магнитного поля индукционной катушки, и наоборот. Поэтому цепь, состоящая из конденсатора и катушки, называется колебательным контуром. Этот процесс в колебательном контуре носит название свободных колебаний, так как протекает без внешней возбуждающей силы, только благодаря некоторому запасу энергии в одном из элементов цепи.

Рисунок 1.1- Параллельный колебательный контур: а - схема; б - изображение свободных колебаний; I_к - ток в колебательном контуре; U_вх - входное напряжение; L - катушка индуктивности; С - конденсатор; R - резистор потерь

 

Однако колебания будут затухающими из-за неизбежных потерь энергии на активном сопротивлении проводов катушки, соединительных проводов, в диэлектрике конденсатора и в материале, из которого изготовлен каркас катушки (рисунок 1.2). С ростом затухания (при увеличении сопротивления потерь R) частота свободных колебаний w_св уменьшается, а когда сопротивление потерь в два раза превышает характеристическое сопротивление (R » 2r), процесс в контуре уже не является колебательным.

Скорость перезарядки конденсатора катушкой индуктивности в колебательном контуре определяется их емкостью и индуктивностью, поэтому и период колебаний зависит только от этих величин. Период колебаний (Т) в контуре определяется по формуле Томсона:

Частота собственных колебаний колебательного контура обратно пропорциональна периоду колебаний: f= 1/Т.

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 1.2 - Виды колебаний в колебательном контуре: а - незатухающие в идеальном колебательном контуре; б - затухающие в колебательном контуре с малыми потерями (высокая добротность); в - затухающие в колебательном контуре с большими потерями (низкая добротность)

 

Частоту колебательного контура можно изменять, варьируя значениями индуктивности катушки L или ёмкости конденсатора С. Конденсатор переменной ёмкости есть в любом радиоприёмнике. Сдвоенным блоком конденсатора переменной ёмкости можно перестраивать по частоте одновременно два колебательных контура. Настройку индуктивностью применяют значительно реже, главным образом, потому, что индуктивность труднее изменять в широких пределах.

При резонансной частоте входное сопротивление колебательного контура становится чисто активным. Явление возрастания тока в параллельном контуре при резонансной частоте называется резонансом токов.

Для параллельного контура добротность определяется по формуле:

                                                                                    (1.2)

Добротность показывает, во сколько раз электрический ток в параллельном контуре при резонансе превышает ток в цепи источника питания.

1.1.2 Последовательные (резонансные) колебательные контуры  Такой контур состоит из последовательно соединённых сопротивления R, индуктивности L и ёмкости С (рисунок 1.3). Как правило, резистор R определяет сопротивление омических потерь провода, из которого выполнена индуктивность контура. Сопротивление потерь ёмкости мало и на практике не учитывается. На резонансной частоте входное сопротивление последовательного контура, также как и у параллельного колебательного контура, чисто активное (определяется омическими потерями) и равно R. При настройке контура в резонанс амплитуда напряжения на конденсаторе или на индуктивности резко увеличивается (в Q раз больше амплитуды входного напряжения), поэтому резонанс в последовательном контуре называется резонансом напряжений.

Если последовательно в колебательный контур, состоящий из катушки индуктивности и конденсатора, включить источник переменного напряжения, то в контуре потечёт ток с частотой источника, которая в общем случае не совпадает с частотой собственных колебаний контура. При этом в контуре будут происходить не свободные, а вынужденные колебания.

Рисунок 1.3- Схема последовательного колебательного контура: R - резистор; L - катушка индуктивности; С - конденсатор; U_вх - входное напряжение; U_c - напряжение, снимаемое с конденсатора; U_вых - выходное напряжение (U_вых = U_С)

 

Разность между частотой источника тока и резонансной частотой колебательного контура принято называть абсолютной расстройкой по частоте:

Dw = w_ист - w_р.

Для последовательного контура добротность определяется из формулы

                                          (1.3)

где w₀ - резонансная частота;

L - индуктивность;

R - сопротивление потерь;

С - емкость.

1.1.3 Связанные колебательные контуры  Если требуется существенно повысить частотную избирательность радиотехнических устройств, то используют многоконтурные линейные цепи, в которых удаётся получать близкую к идеальной (прямоугольной) форму амплитудно-частотных характеристик. Простейшей многоконтурной частотно-избирательной цепью является цепь из двух связанных колебательных контуров. Контур, колебания в котором возбуждаются внешним источником, называется первичным, а контур, в который передается часть энергии из первичного контура, - вторичным. Для удобства реализации связанные контуры составляют из одинаковых элементов, а связь между ними чаще всего бывает индуктивной или ёмкостной (рисунок 1.4).  

При индуктивной связи между катушками индуктивности образуется взаимная индуктивность, определяемая коэффициентом взаимной индуктивности М.         

Одним из основных параметров связанных колебательных контуров является коэффициент связи k_св. Для контуров с индуктивной  связью k_св = M/L, а для контура с ёмкостной связью k_св = С/(С+ С_св). Наиболее же важным параметром является фактор связи А_св = k_св Q. Когда фактор связи меньше единицы (А_св< 1), связь называется слабой, а когда фактор связи больше единицы (А_св > 1), то связь считается сильной.

Колебательные системы из большего числа связанных контуров называются фильтрами сосредоточенной селекции. С их помощью удается получать амплитудно-частотную характеристику, ещё более приближающуюся к прямоугольной форме. Фильтры сосредоточенной селекции находят особенно широкое применение в аналоговых радиотехнических системах.

 

 

 

 

 

Рисунок 1.4 - Виды связи в связанных колебательных контурах: а - индуктивная; б - ёмкостная; U_вх и U_вых - входное и выходное напряжения; С_св - конденсатор связи; М - коэффициент взаимной индукции

1.2. Генераторы незатухающих колебаний

Генераторы используются для создания всех радиотехнических устройств, содержащих радиопередающие устройства. Кроме того, генераторы входят в состав многих радиовещательных приёмников и используются во всех телевизорах.

С точки зрения работы генераторы подразделяются на автоколебательные системы (автогенераторы) и генераторы с внешним возбуждением.

Автоколебательной называется система, в которой в отсутствие внешнего воздействия возбуждаются незатухающие колебания, причем амплитуда и частота колебаний определяются свойствами самой системы. Примерами автоколебаний являются колебания маятника часов, струн в музыкальных инструментах, тока и напряжения в электронных генераторах. Для того чтобы колебания были незатухающими, в автоколебательную систему должна поступать энергия, которая компенсирует потери энергии в ней. Для поддержания стационарной амплитуды колебаний поступление энергии должно изменяться в зависимости от величины потерь, поэтому в автоколебательной системе необходимо наличие обратной связи и нелинейного элемента.

1.2.1 Автогенератор  Автогенератор представляет собой устройство, преобразующее энергию постоянного тока в энергию электрических колебаний требуемой формы и частоты. Для возбуждения колебаний в автогенераторах используется положительная обратная связь или активный прибор.

Независимо от назначения и схемотехнического выполнения автогенератор любых колебаний состоит из источника питания, активного нелинейного элемента, частотозадающей цепи (линейной цепи), усилителя и цепи положительной обратной. Структурная схема автогенератора показана на рисунке 1.5.

В качестве источника питания в автогенераторах используется источник постоянного напряжения. Активный элемент регулирует поступление энергии от источника питания к частотозадающей цепи и определяет амплитуду колебаний. В качестве активных нелинейных элементов, как правило, используются транзисторы или электровакуумные лампы. Частотозадающая цепь в основном определяет частоту колебаний автогенератора. В качестве частотозадающей цепи обычно используется LC-колебательный контур. Усилитель увеличивает амплитуду выходного сигнала колебательного контура. Если бы частотозадающая цепь не имела потерь, то колебания в такой системе могли бы существовать бесконечно и не затухать. Но во всех реальных системах такие потери есть. Поэтому цепь обратной связи подает необходимое количество энергии в колебательный контур для поддержания колебаний.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 1.5 - Блок-схема автогенератора

 

Упрощённо механизм возникновения автоколебаний состоит в следующем. В момент запуска в колебательной системе автогенератора самопроизвольно возникают свободные колебания, вызванные включением источников питания, замыканием цепей, скачком токов и напряжений в усилительном приборе. Благодаря специально введенной цепи положительной обратной связи, часть энергии колебаний, возникающих на выходе усилителя, поступает на его вход. Благодаря наличию узкополосной колебательной системы, все процессы проходят на одной (резонансной) частоте и резко затухают на других частотах.

Наиболее часто в автогенераторах гармонических колебаний в качестве узкополосных колебательных систем используются резонансные LC-контуры и RС-цепи. Автогенераторы, предназначенные для получения высокочастотных гармонических колебаний (выше сотен килогерц), обычно строятся с применением элементов, использующих явление резонанса в колебательном контуре (LC-генераторы) либо в пьезоэлектрических резонаторах. Автогенераторы низкочастотных гармонических колебаний (десятки килогерц и ниже) строятся на основе резисторно-ёмкостных схем (RС-генераторы).

Если на автогенератор действует небольшой внешний периодический сигнал, то возникает явление синхронизации, благодаря которому частота колебаний автогенератора оказывается равной частоте внешнего сигнала. Такой автогенератор называется синхронизированным генератором.

Синхронизация играет важную роль в телевизионных приёмниках.

Одним из основных требований, предъявляемых к автогенераторам, является высокая стабильность частоты выходных колебаний. Качество работы автогенераторов принято оценивать абсолютной и относительной нестабильностями частоты. Причинами изменений частоты могут быть внутренние шумы в автогенераторах, например шумы транзисторов и резисторов в транзисторных автогенераторах. Для уменьшения кратковременной нестабильности частоты, вызванной шумами, выбираются транзисторы с малым уровнем шумов. Долговременную нестабильность частоты могут вызывать изменения питающих напряжений и температуры. Для исключения влияния температуры на параметры усилительных элементов автогенераторы в отдельных случаях помещают в термостаты. Частота выходных колебаний автогенераторов стабилизируется за счет применения колебательных систем с высокой добротностью, например диэлектрических, кварцевых или сверхпроводящих резонаторов.

В автогенераторах форма и частота выходных колебаний определяется только параметрами самого автогенератора, между тем как в генераторе с внешним возбуждением амплитуда и частота колебаний навязываются извне.

1.2.2 Генератор с внешним возбуждением  Генератор с внешним возбуждением входит в режим генерации, формирования или усиления электрических колебаний только при поступлении на его вход сигналов возбуждения (запуска). Генераторы с внешним возбуждением, которые используются в передатчиках, называются усилителями мощности. Однако в отличие от усилителей мощности генераторы с внешним возбуждением содержат на выходе либо один колебательный контур, либо связанные колебательные контуры для фильтрации колебаний и выделения нужных спектральных составляющих колебаний. Отличие состоит также и в режиме работы активного нелинейного элемента.

В зависимости от формы и частоты выдаваемых сигналов различают генераторы гармонических (синусоидальных) колебаний и генераторы негармонических колебаний.

1.3 Генерирование гармонических колебаний

Гармонические колебания (синусоидальные или косинусоидальные) нужны в первую очередь как несущие колебания при передаче информации. Кроме того, гармонические сигналы используются в радиоизмерениях в качестве испытательных воздействий при исследовании цепей. Источником высокочастотных гармонических колебаний является колебательный контур, резонансная частота которого определяется соотношением (1.1). Частота колебаний генераторов, содержащих колебательный контур, близка к резонансной частоте колебательного контура. Автогенераторы с применением резонансного контура хорошо работают на высоких частотах. Для низких частот трудно создать колебательный контур с высокой добротностью и приемлемыми габаритными размерами. Поэтому генерирование более низких частот осуществляют с помощью генераторов на биениях или генераторов с RC-фильтрами в цепи обратной связи (RC - генераторы).

 

1.3.1 LС-генераторы  В LС - генераторах в качестве частотно-избирательных (частотно-задающих) элементов используют катушки индуктивности и конденсаторы. Обычно на основе катушек и конденсаторов формируют параллельные или последовательные колебательные контуры, которые настраивают на заданную рабочую частоту f₀. Основой LC-генератора может служить резонансный усилитель, в котором с помощью трансформатора создается положительная обратная связь. Условия генерации в таком устройстве обеспечиваются для резонансной частоты колебательного контура f₀. При подключении источника питания в цепях усилительного каскада происходят приращения токов и напряжений. В результате в LC-контуре возникают синусоидальные колебания с частотой f₀, которые поддерживаются с помощью положительной обратной связи в устройстве. При отклонении частоты колебаний от значения резонансной частоты f₀ условия генерации колебаний нарушаются.

LC-генераторы можно выполнять и без использования трансформаторной связи. В этом случае цепь обратной связи подключается непосредственно к колебательному контуру, который состоит из нескольких секций индуктивности (или емкости). В генераторах такого типа LC -контур соединяется с усилительным каскадом в трех местах (тремя точками), поэтому их называют трёхточечными.

При реализации генератора с ёмкостной трёхточечной связью в колебательный контур параллельно катушке индуктивности включают последовательно два конденсатора. Цепь обратной связи в этом случае подключается к общей точке этих конденсаторов (емкостного делителя).

Помимо рассмотренных существует достаточно много и других LC -генераторов. Выполняют LC -генераторы не только на основе резонансных, но и на основе операционных усилителей.

Для обеспечения высокой стабильности частоты генерации в цепь обратной связи обычного LC -генератора включают кварцевый резонатор. Генерация колебаний происходит при настройке LC -контура на резонансную частоту кварцевого резонатора.

1.3.2 Генераторы на биениях  Генераторы на биениях содержат два маломощных LC -автогенератора. Заданную частоту колебаний генератора получают как разность двух высокочастотных колебаний. При этом один из автогенераторов работает на фиксированной частоте f₁ а частота другого автогенератора f₂ может перестраиваться в небольших пределах (от f₁ до f₁ - F_max, где F_max - максимальная частота выходного высокочастотного сигнала).

На выходе преобразователя с помощью фильтра низких частот выделяют полезный сигнал низкой частоты, которая равна разности частот F=f₁ -f₂. Так как частоты f₁ и f₂ могут быть существенно большими, чем частота полезного сигнала F, то даже при относительно небольшом изменении регулируемой частоты f₂ полезная частота генератора F будет изменяться в широких пределах. Благодаря этому в низкочастотных генераторах на биениях легко получать широкий диапазон перестройки. Получаемая при этом форма выходного низкочастотного напряжения близка к форме гармонического колебания.

Основным недостатком таких генераторов является невысокая стабильность полезной частоты.

В тех случаях, когда необходимо получать гармонические колебания на частотах доли герца - десятки килогерц, использование LC-генераторов становится нецелесообразным. Это связано с тем, что в LC-генераторах затрудняется их перестройка по частоте и значительно увеличиваются масса и габариты элементов колебательного контура. По этим причинам автогенераторы низких частот обычно строятся на основе RС-элементов.

1.3.3 RС-генераторы  В RС-генераторах в качестве частотно-избирательных цепей используют цепи обратной связи, состоящие из конденсаторов и резисторов. В таких генераторах используются усилительные каскады, инвертирующие или не инвертирующие сигнал. Значительное количество возможных RС-генераторов определяется большими схемотехническими возможностями RС-цепей.

Так, RС -генераторы с мостом Вина при соответствующем подборе элементов схемы позволяют генерировать колебания в широком диапазоне частот - от единиц герц до сотен килогерц. Мост Вина является цепью обратной связи и представляет собой частотно-избирательную RС-цепь, которая состоит из двух ёмкостей (С₁ и С₂) и двух сопротивлений (R₁ и R₂), соединённых попарно R₁C₁ и R₂C₂. Перестройка частоты в этих генераторах осуществляется при одновременном изменении либо ёмкостей конденсаторов C₁ и С₂, либо сопротивлений резисторов R₁ и R₂. Самовозбуждение автогенератора обеспечивается при коэффициенте усиления усилителя

                                                |K| = R₂/R₁ » 3.

Генераторы гармонических колебаний относятся к числу наиболее распространенных измерительных генераторов. Измерительные генераторы гармонических колебаний используются для оценки качества некоторых устройств системы радиосвязи. Их используют также при испытаниях приёмников радиосистем; снятии амплитудно-частотных и фазово-частотных характеристик линейных цепей (усилителей, фильтров) в процессе их исследования, контроля, настройки; для питания линий передачи при измерении их параметров. Измерительные генераторы низких частот обычно используются в качестве внешних источников модулирующего напряжения для модуляции генераторов радиочастот и импульсных генераторов; настройки и определения технических характеристик низкочастотных трактов, узлов и элементов радиоприемных и радиопередающих устройств. При измерении чувствительности и снятии различных характеристик радиоприёмных устройств высокочастотное напряжение, поступающее в реальных рабочих условиях от антенны на вход приемника, заменяется напряжением, получаемым от высокочастотного генератора сигналов. Генераторы ультравысоких частот предназначены для настройки УКВ-приемников с частотной модуляцией, систем радионавигации, телевидения и т.д.

1.3.4  Кварцевый автогенератор  Для получения высокой точности и стабильности частоты генерируемых колебаний в автогенераторах в качестве колебательной системы используется кварц. Такие автогенераторы называются кварцевыми. Кварц относится к числу кристаллов, обладающих свойствами прямого и обратного пьезоэлектрического эффекта. Помещенный в электрическое поле высокой частоты кварц испытывает периодические механические деформации (явление обратного пьезоэффекта), что, в свою очередь, вызывает появление электрических зарядов на его гранях (явление прямого пьезоэффекта). Свойством пьезоэффекта обладают кристаллы более 100 веществ. Среди них наиболее стабильны параметры у кварца, чем и объясняется его широкое применение в радиоэлектронной аппаратуре. Кварц следует отнести к элементам с распределенными параметрами.

Различные виды механических колебаний в кварцевой пластине могут происходить на основной частоте или одной из нечётных гармоник. Кристалл кварца имеет три оси симметрии - оптическую, электрическую и механическую. В зависимости от того, под каким углом к этим осям вырезана пластина, различают около десяти видов среза кварца.

Геометрические размеры, вид колебаний и тип среза пластины определяют основные электрические параметры кварцевого резонатора: частоту последовательного резонанса w_р добротность Q, отношение ёмкостей С_к/С₀, температурный коэффициент частоты ТКЧ_кв и допустимую мощность рассеивания. Максимальная частота кварцевых резонаторов достигает 150 МГц и более, но широкое практическое применение находят кварцы, возбуждаемые на 3...7-й механической гармонике с частотой до 60...70 МГц.

Кварц может быть возбужден на частотах последовательного или параллельного резонанса, которые соответственно равны: 

                                                    (1.4)

Добротность кварцевого резонатора:

                                                   (1.5)

Схема кварцевого автогенератора приведена на рисунке 1.6.

В ней автоколебания возникают с частотой последовательного резонанса w₁, поскольку только на ней кварц имеет малое сопротивление r_k и цепь обратной связи оказывается замкнутой. На частотах, отличных от w₁ автоколебания возникнуть не могут, так как на них сопротивление кварца велико. Резонансная частота контура автогенератора, включающего индуктивность L1 и ёмкости С1 и С2, должна быть близка к частоте w₁.

 

Рисунок 1.6 - Электрическая схема кварцевого генератора

1.4 Генерирование негармонических колебаний

Для передачи информации в виде кодированных импульсов одновременного запуска различных устройств, последовательно го срабатывания различных цепей через определенные промежутки времени используются генераторы электрических колебаний несинусоидальной формы.

 

Рисунок 1.7 - Пилообразный импульс: Т- период следования; Т_пр - длительность прямого хода; Т_обр - длительность обратного хода; U_max - максимальная амплитуда импульса; и - напряжение; t - текущее значение времени

 

Такие колебания называются релаксационными. Релаксационные колебания  представляют собой периодические незатухающие колебания, которые характеризуются наличием резких (импульсных) изменений формы в отличие от колебаний синусоидальной формы. Генератором таких колебаний является релаксационный генератор - релаксатор.

Генераторы негармонических колебаний генерируют непериодические колебания сложной формы с периодом Т. Эти колебания содержат не только гармонику основной частоты w₀ = 2p/Т, но и высшие гармоники пw₀  (п = 2, 3, ...). Это свойственно всем устройствам, которые содержат нелинейные элементы, а каждый генератор обязательно содержит нелинейные активные элементы.

В зависимости от формы вырабатываемых импульсов генераторы подразделяются на генераторы пилообразных, прямоугольных и других форм импульсов.

В ряде схем устройств автоматики, измерительной техники, телевидения используются импульсы напряжения (тока) пилообразной формы (рисунок 1.7). Импульсы пилообразной формы характеризуются амплитудным значением U_max, периодом следования Т, длительностью прямого хода T_пр и длительность обратного хода T_обр. Импульсы пилообразной формы получаются с помощью генераторов пилообразных сигналов.

1.4.1 Генератор пилообразных сигналов  Он является простейшим релаксационным генератором, который ранее широко применялся как генератор развертки в осциллографах.

 

 

Рисунок 1.8 - Схема генератора пилообразных сигналов на тиратроне: С - конденсатор; R - резистор; U_вх - входное напряжение; Е_п - источник питания; R_н - сопротивление нагрузки

 

 

Рисунок 1.9 - Пилообразные сигналы: U_С - напряжение на конденсаторе; U_з - напряжение зажигания; U_п - напряжение погасания; t_зар - время заряда; t_paзp - время разряда; Т - длительность импульса; t - текущее значение времени

 

Схема генератора пилообразных сигналов на тиратроне показана на рисунке 1.8. Генератор пилообразных сигналов содержит резистор R, конденсатор С и тиратрон VL. При включении напряжения U_вх начинает заряжаться конденсатор С и напряжение на нем U_С растет в течение времени t_зар по закону, близкому к линейному. Когда напряжение U_С достигает напряжения зажигания тиратрона U₃ (сотен вольт), в тиратроне возникает тлеющий заряд, а конденсатор разряжается до напряжения погасания U_п тиратрона в течение времени t_paзp. Затем процесс зарядки конденсатора повторяется (рисунок 1.9).

Управляя напряжением на сетке тиратрона, можно управлять процессом получения колебаний.

1.5 Генераторы импульсов

Генераторы импульсов - это измерительные приборы, формирующие импульсы прямоугольной или другой формы, а также сложные импульсные последовательности с известной формой, длительностью, частотой повторения и высотой. Генераторы импульсных сигналов подразделяются на генераторы импульсов общего применения, метрологические генераторы импульсов и автоматизированные генераторы.

Генераторы импульсных сигналов общего применения используются для запуска радиотехнических устройств, измерения импульсных характеристик интегральных схем и полупроводниковых приборов, при отработке и проверке параметров импульсных модуляторов, широкополосных импульсных усилителей. Генераторы этой группы различаются по форме импульса (прямоугольной, пилообразной и др.), полярности, длительности (наносекундные, микросекундные, миллисекундные и др.).

Метрологические генераторы импульсов применяются для контроля и калибровки аппаратуры в измерительной технике, а также как образцовые средства измерений в экспериментальной технике.

Автоматизированные генераторы и генераторы кодовых пакетов импульсов используются в составе автоматизированных измерительных систем как источники сигналов с управляемыми параметрами. Генераторы кодовых пакетов импульсов применяются в вычислительной технике, технике связи, в стендах проверки работы интегральных схем, регулировки, настройки и испытаний различных устройств радиоэлектронной аппаратуры.

1.5.1 Мультивибратор  Мультивибратор используют как генератор почти прямоугольных импульсов необходимой частоты, длительность которых обычно равна промежутку между ними. Он может работать в режиме автоколебаний и ждущем режиме. Схема мультивибратора на транзисторах показана на рисунке 1.10. Мультивибратор состоит из двух R-усилителей. Выходное напряжение левого усилителя снимается с коллектора транзистора VT₁ и передается на вход правого усилителя, а выходное напряжение правого усилителя снимается с коллектора транзистора VT₂ и подается на вход левого усилителя (на участок база-эмиттер транзистора VT₁). В начальный момент времени через оба транзистора п-р-n-типа текут токи покоя базы I_б.п и коллектора I_к.п.

 

Рисунок 1.10 - Схема мультивибратора: VT₁, VT₂ - транзисторы; С₁, С₂ - конденсаторы; R_к1 - сопротивление коллектора транзистора VT₁ ; R_к2 - сопротивление коллектора транзистора VT₂;  R_б2 - сопротивление базы транзистора VT2; R_б2 - сопротивление базы транзистора VT₂; Е_п - источник питания; i_р1 - разрядный ток через сопротивление базы транзистора R_б1 ; i_р2 - разрядный ток через сопротивление базы транзистора R_б2

При этом напряжение покоя на базе приблизительно равно 0,8 В, а на коллекторе - порядка нескольких вольт. Конденсаторы С₁ и С₂ заряжены. При увеличении тока коллектора первого транзистора происходит увеличение падения напряжения на сопротивлении коллектора R_к1 оба перехода в транзисторе открываются (режим насыщения).

Потенциал правой пластины конденсатора С₁ уменьшается, и это приводит к появлению разрядного тока i_р2, протекающего через сопротивление базы R_б2 транзистора VT₂. Потенциал в точке А понижается, и транзистор VT₂ закрывается. При достижении напряжения на коллекторе транзистора VT₂ напряжения источника питания Е_п потенциал правой пластины конденсатора С₂ возрастает до напряжения источника питания Е_п, через базу транзистора VT₂ протекает большой ток, потенциал в точке С возрастает, в силу этого ток через коллектор транзистора VT₁ растет, а напряжение на его коллекторе падает. Уменьшение напряжения на коллекторе транзистора VT₁ приводит к дальнейшему уменьшению потенциала на правой пластине конденсатора С₁. Когда потенциал на правой пластине конденсатора С₁ упадет до нуля, за счет тока, протекающего через сопротивление базы R_б2, потенциал правой пластины конденсатора С₁ начнет повышаться, в силу этого транзистор VT₂ закроется, а транзистор VT₁ закроется. Таким образом, напряжения на конденсаторах С₁ и С₂ поменяют знак.

Наличие активных нелинейных элементов (транзисторов) и отсутствие фильтрующих цепей приводит к генерации мультивибратором негармонических периодических колебаний.

Мультивибраторы собирают также на основе микросхем.

1.5.2 Блокинг-генератор  Блокинг-генератор - это релаксационный генератор с широкополосной положительной обратной связью. Для этого используют импульсный трансформатор, который способен пропускать импульсы, содержащие большое количество гармоник.

Рисунок 1.11- Схема блокинг-генератора: VT- транзистор; С - конденсатор; R - резистор; L₁, L₂ - катушки индуктивности; Е_п - источник питания; i_б - ток базы; i_к - ток коллектора

 

Блокинг-генераторы используют в качестве генераторов коротких и мощных импульсов, длительность и частота повторения которых могут изменяться сравнительно просто и в широких пределах. Схема блокинг-генератора показана на рисунке 1.11. Блокинг-генератор может работать в режиме автогенератора и ждущем режиме при подаче внешнего запускающего импульса. Его широко используют в генераторах развертки в телевизионных приемниках.

Для создания на внешней нагрузке импульсов напряжения или тока заданной формы с заданными значениями параметров служат измерительные генераторы импульсных сигналов.

1.6 Общие сведения о фильтрах

Под электронным фильтром понимается частотно-избирательное устройство, которое пропускает (или усиливает) сигналы одних частот и ослабляет сигналы других частот.

Фильтры классифицируются на:

- фильтры нижних частот (пропускающие низкие частоты и задерживающие высокие частоты);

- фильтры верхних частот (пропускающие высокие частоты и задерживающие низкие частоты);

- полосно-пропускающие фильтры (пропускающие  полосу  частот и задерживающие частоты, расположенные выше и  ниже этой частоты);

- полосно-заграждающие фильтры (задерживающие полосу  частот и пропускающие частоты, расположенные выше и ниже этой частоты).

Характеристика фильтра определяется его комплексной передаточной функцией:

 .

Величины U₁, U₂ - соответственно входное и выходное напряжение, как показано на рисунке 1.12.

Диапазоны и полосы частот, в которых фильтр пропускает сигналы, называются полосами пропускания; в них значение амплитудно-частотной характеристики относительно велико, а в идеальном случае постоянно.

Диапазоны и полосы частот, в которых сигналы подавляются, образуют полосы задержания - в них значение амплитудно-частотной характеристики относительно мало; в идеальном случае равно нулю.

В основном затухание в полосе пропускания  никогда не превышает 3 дБ. Таким образом, из приведенного примера следует, что изменение АЧХ в полосе  пропускания  составляет по крайней  мере = 0,707, или 30% её максимального значения. В общем случае под полосой пропускания принято подразумевать такую полосу частот, в которой мощность передаваемого на выход фильтра сигнала снижается менее, чем в два раза, а амплитуда - менее, чем в раз.

1.6.1 Элементы активных фильтров

После получения математического выражения для подходящей передаточной  функции ее необходимо реализовать с использованием определенных компонентов электронной техники, называемых в этом случае элементами фильтра. При этом разработка выливается в проектирование активных или пассивных фильтров.

Пассивными фильтрами называются такие устройства, которые реализованы с использованием только пассивных компонентов электронной техники - резисторов, конденсаторов и катушек индуктивности.

Эти фильтры непригодны для частот ниже 0,5 МГц вследствие того, что параметры катушек  индуктивности на низких частотах становятся неудовлетворительными из-за значительных габаритов и отклонения их параметров от идеальных. Для исключения индуктивностей из фильтров, работающих в диапазоне низких частот, применяют так называемые активные фильтры.

Активными фильтрами называются устройства, реализованные на основе резисторов, конденсаторов и активных элементов электронной техники, таких, как транзисторы, операционные усилители и пр.

Амплитудно-частотные характеристики фильтров показаны на рисунке 1.12.

Фильтры нижних частот выделяют колебания нижних частот и подавляют колебания высоких частот. Существует множество схем фильтров низких частот, содержащих последовательные колебательные контуры (рисунок 1.13). Увеличение числа реактивных элементов LC- фильтра позволяет приблизить амплитудно-частотную характеристику реального фильтра к идеальной.

 

Рисунок 1.12- Амплитудно-частотные характеристики фильтров: а - нижних частот; б - верхних частот; в - полосового; г - режекторного: w - текущее значение частоты; w_н - низкая частота; w_в - высокая частота; К - коэффициент усиления

 

Амплитудно-частотные характеристики фильтра низких частот показаны на рисунке 1.12а.

Фильтры верхних частот пропускают колебания высоких частот и подавляют колебания низких частот. Схемы фильтров высоких частот показаны на рисунке 1.15. Увеличение числа реактивных элементов LC-фильтра позволяет приблизить амплитудно-частотную характеристику реального фильтра к идеальной. Амплитудно-частотные характеристики фильтра высоких частот показаны на рисунке 1.16.

Полосно-пропускающие (полосовые) фильтры пропускают колебания в определенной полосе частот от w_гр1 = w_min до w = w_max, a колебания на остальных частотах - и более высоких, и более низких - ослабевают.

 

 

Рисунок 1.13 - Схемы фильтров низкой частоты, содержащие последовательные колебательные контуры: С - конденсатор; R, R₁ R₂ - резисторы; L, L₁, L₂ - катушки индуктивности

 

Рисунок 1.14 - Амплитудно-частотные характеристики фильтров низкой частоты: а - идеальная; б -реальная; |К| - модуль коэффициента передачи; w_гр - граничная частота; w - текущее значение частоты

 

Рисунок 1.15 - Схемы фильтров высоких частот

Рисунок 1.16 - Амплитудно-частотные характеристики фильтра высоких частот: а - идеальная; б - реальная; |К| - модуль коэффициента передачи; w_гр - граничная частота; w - текущее значение частоты

 

Рисунок 1.17 - Полосовой фильтр с последовательным колебательным контуром: С - конденсатор; R_н - сопротивление нагрузки; L - катушка индуктивности; U_вх - входное напряжение; U_вых - выходное напряжение

 

Вне этой полосы желательно, чтобы фильтр не пропускал ненужных сигналов и помех. В реальном случае нужно стремиться к тому, чтобы в требуемой полосе частот пропускания амплитудно-частотная характеристика менялась слабо. Коэффициент передачи уменьшается в полосе пропускания не более, чем в раз. Степень приближения амплитудно-частотной характеристики к П-образной характеризует качество фильтра. Полосовой фильтр, содержащий последовательный колебательный контур L, С, R, когда выходной сигнал снимают с активного элемента, показан на рисунке 1.17. Амплитудно-частотные характеристики полосового фильтра показаны на рисунке 1.18.

Стабилизатор обеспечивает постоянство напряжения на нагрузке или тока в нагрузке при изменении напряжения питающей цепи или изменении нагрузки. Выходное напряжение цепи может изменяться из-за того, что может изменяться входное напряжение. Может меняться также сопротивление нагрузки, что приводит к изменению потребляемого электрического тока. Многие электрические цепи рассчитаны на работу при определенном напряжении. Изменения напряжения могут влиять на работу цепи, поэтому блок питания должен обеспечивать выходное напряжение постоянной величины независимо от изменения входного напряжения или нагрузки. Для обеспечения неизменной величины выходного напряжения используют стабилизатор напряжения, который удерживает выходное напряжение на постоянном уровне.

 

Рисунок 1.18 - Амплитудно-частотные характеристики полосового фильтра: а - идеальная; б - реальная; w  - текущее значение частоты; w _min - минимальная частота; w _мах – максимальная

 

Существуют два основных типа стабилизаторов напряжения: параллельные и последовательные.

Одним из наиболее широко используемых при построении фильтров активных приборов является операционный усилитель.

1.6.2 Цепи дифференцирования  Часто в импульсных устройствах возникает необходимость так преобразовать сигнал, поданный на вход, чтобы напряжение или ток на выходе были пропорциональны не входному сигналу, а скорости его изменения. Такая операция преобразования называется дифференцированием входного сигнала, а цепи, которые их осуществляют, называются дифференцирующими. Простейшей дифференцирующей цепью может служить последовательное соединение резистора и конденсатора (рисунок 1.19).

 

Рисунок 1.19 - Дифференцирующая цепь: U_вх - входной сигнал; U_вых - выходной сигнал

 

1.6.3 Цепи интегрирования  В ряде случаев, когда в цепи протекает изменяющийся во времени ток, возникает необходимость получать напряжение, пропорциональное заряду, прошедшему через цепь за некоторый отрезок времени. Для того чтобы определить этот заряд, нужно разбить весь интервал времени на малые отрезки, в течение которых можно с заданной степенью точности считать ток постоянным, и подсчитать сумму зарядов, перенесенных за эти малые отрезки времени. Эту операцию принято называть интегрированием. Интегрирующая цепь показана на рисунке 1.20.

 

Рисунок 1.20 - Интегрирующая цепь: U_вх - входной сигнал; U _вых - выходной сигнал; С - конденсатор; R- резистор

 

2 Преобразование электрических колебаний

 

Для того чтобы использовать высокочастотные колебания для передачи сигналов, необходимо каким-либо образом воздействовать на них, передавая их в виде раздельных импульсов определенной длительности либо изменяя их амплитуду, фазу или частоту в соответствии с передаваемым сигналом. При приеме этих колебаний необходимо на основании изменения одного из параметров высокочастотных колебаний или длительности импульсов восстановить передаваемый сигнал. Происходящие при этом процессы изменения формы, частоты или фазы называются преобразованием колебаний. Все виды преобразований подразделяются на линейные и нелинейные.

Линейные преобразования подчиняются закону Ома. В результате этих преобразований могут изменяться только амплитуда и фазовые соотношения в спектре сложного сигнала. Линейные преобразования осуществляются в линейных цепях. К линейным преобразованиям относятся такие цепи, параметры которых не зависят от действующих в них токов и напряжений.

В нелинейных цепях происходят более сложные преобразования, которые приводят к изменению самого спектра сигнала, т. е. к появлению таких составляющих, которых не было на входе. В нелинейных цепях изменение токов и напряжений приводит к изменениям активных и реактивных сопротивлений, вследствие чего напряжения и токи оказываются не пропорциональными один другому, а связанными более сложными зависимостями.

В процессе передачи информации от источника информации к потребителю управляющие сигналы и радиосигналы подвергаются различным преобразованиям. К таким преобразованиям относятся получение модулированных колебаний, детектирование радиосигналов, преобразование частоты радиосигналов, умножение частоты, ограничение амплитуды колебаний, дифференцирование и интегрирование сигналов.

2.1 Детектирование высокочастотных колебаний

Вторым важнейшим видом преобразований электрических колебаний в радиотехнических устройствах является процесс, обратный модулированию. Чтобы колебания могли быть восприняты человеком или зарегистрированы приборами, принятые высокочастотные колебания, модулированные по амплитуде, частоте или фазе, необходимо преобразовать в радиоприемном устройстве снова в колебания низкой частоты.

Процесс преобразования модулированного высокочастотного сигнала в колебание, форма которого воспроизводит низкочастотный модулированный сигнал, называется детектированием (демодуляцией). Наиболее просто производится детектирование амплитудно-модулированных колебаний. Для демодуляции применяют детектор, или демодулятор, который выделяет из принятого, усиленного и преобразованного высокочастотного модулированного колебания передаваемый полезный сигнал (рисунок 2.1).

Детектор содержит нелинейный элемент и фильтр для выделения низкочастотного сигнала. В качестве нелинейного элемента используются диоды и транзисторы, в качестве фильтра нижних частот - простейшая RС-цепь. Основное требование, предъявляемое к детектору, - точно воспроизводить форму передаваемого сигнала. Детектор амплитудно-модулированных сигналов называется также амплитудным детектором.

В зависимости от того, какой сигнал подвергается детектированию, различаются амплитудные, частотные и другие детекторы.

Детектирование частотно-модулированных и фазово-модулированных колебаний производится в два этапа: сначала их преобразуют в колебания с неглубокой амплитудной модуляцией, а затем детектируют амплитудным детектором. При этом все изменения амплитуды частотно-модулированного сигнала детектируют наряду с полезным сигналом, поэтому перед детектором ставят амплитудный ограничитель. В наиболее простом случае преобразование частотно-модулированных колебаний в амплитудно-модули-рованные колебания осуществляется с использованием колебательных контуров, которые расстраивают относительно несущей частоты частотно-модулированных колебаний.

 

 

Рисунок 2.1 - Простейший детектор амплитудно-модулированного сигнала: а - модулированный сигнал; б - схема детектора; в -  полезный сигнал; и - мгновенное значение напряжения; С, С₁ - конденсаторы; R - резистор; VD - диод; t - текущее значение времени

 

Чаще используется симметричная схема частотного детектора, которая называется дискриминатором.

2.2 Преобразование частоты

Часто необходимо изменить спектральный состав или сдвинуть по частоте спектр обрабатываемого сигнала, т. е. изменить спектральный состав сигнала на выходе радиоэлектронной схемы по сравнению со спектральным составом входного сигнала. Процесс нелинейного или параметрического смешивания двух сигналов различных частот для получения третей частоты называется преобразованием (гетеродинированием) частоты. В результате такого преобразования частоты спектр какого-либо модулированного сигнала (а также любого радиосигнала) переносится из области несущей частоты в область промежуточной частоты (или с одной несущей частоты на другую, в том числе и более высокую) без изменения вида или характера модуляции. Процесс преобразования частоты отличается от процесса модуляции тем, что преобразование частоты обычно осуществляется в маломощных устройствах, где получение высокого коэффициента полезного действия не имеет существенного значения, важнейшим требованием является минимальное содержание в анодной цепи комбинированных частот и гармоник высших порядков. Кроме того, при модуляции частота модулирующего сигнала должна быть во много раз меньше частоты несущего. При смешении же сигналов соотношение между частотами может быть любым.

Преобразование частоты производят для облегчения дальнейшей обработки и усиления сигнала. В подавляющем большинстве и обрабатывать, и усиливать сигнал тем проще, чем ниже несущая частота. По этой причине промежуточная частота почти всегда меньше частоты сигнала.

Устройство, в котором происходит процесс преобразования частоты, называется преобразователем частоты.

Преобразователь частоты состоит из смесителя (параметрического элемента), гетеродина и фильтра промежуточной частоты (рисунок 2.2).

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 2.2 - Структурная схема преобразователя частоты: U_ам - напряжение амплитудно-модулированного сигнала; U_г - напряжение гетеродина

 

Смеситель и гетеродин образуют собственно преобразователь частоты. Смесителем является нелинейный элемент, в котором осуществляется перемножение сигналов. В качестве смесителя может использоваться полевой транзистор, МДП-транзистор, варикап или обычный диод с квадратичной характеристикой. Гетеродин   служит для параметрического управления смесителем и применяется в качестве вспомогательного генератора, который представляет собой маломощный генератор в большинстве случаев гармонических колебаний с частотой гетеродина w_г.

Для выделения нужной спектральной составляющей на выходе смесителя включают частотно-избирательный элемент (фильтр промежуточной частоты), например одиночный колебательный контур.

При преобразовании частоты радиосигналов на два входа преобразователя подают входное модулированное колебание с несущей частотой w₀ и гармоническое колебание с частотой гетеродина w_г, а на выходе получают колебание с несущей частотой w_г - w₀ или w_г+ w₀ и с тем же законом модуляции, что и у входного модулированного колебания. Спектр входного амплитудно-модулированного колебания, спектральная составляющая гармонического колебания с частотой гетеродина w_г и спектры преобразованных колебаний показаны на рисунке 2.3. На выходе преобразователя должны быть подавлены все составляющие, кроме интересующего нас колебания, например w_г - w₀.

Для амплитудно-модулированных колебаний перемножение колебаний с последующей фильтрацией также позволяет осуществить преобразование частоты (гетеродинирование). Например, если на вход устройства с нелинейной вольтамперной характеристикой подать одновременно два гармонических колебания с разными частотами w₁ и w₂ (причем, w₁ > w₂), то в спектре выходного тока появятся, кроме гармоник исходных колебаний, и составляющие с частотами w₁ + w₂ и w₁-w₂ . Причем амплитуды этих колебаний одинаковы, т. е. в нелинейном устройстве произошло перемножение сигналов, поданных на вход. При необходимости любую спектральную составляющую можно выделить независимо друг от друга.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 2.3 - Спектры колебаний при преобразовании частоты: а - входного модулированного колебания; б - преобразованного колебания; w₀ - несущая частота амплитудно-модулированного колебания; u_ам - мгновенное значение напряжения амплитудно-модулированного колебания; w -   частота; и_пч - напряжение сигнала промежуточной частоты; t - время; w_пч - промежуточная частота; U_н - напряжение на несущей частоте; U_г - напряжение гетеродина

 

2.2.1 Преобразование частоты в аналоговых умножителях  Когда необходимо преобразовать колебания одной частоты в колебания другой, более высокой или более низкой, в современных преобразователях частоты с параметрическими резистивными цепями вместо смесителей применяются аналоговые умножители. Умножитель частоты - устройство, на выходе которого создается синусоидальное напряжение с частотой, в целое число раз превышающей частоту переменного напряжения на его входе (рисунок 2.4). Умножители частоты представляют собой резонансные усилители, нагрузочные контуры которых настраиваются на одну из высших гармоник возбуждающего напряжения (на частоту определенной гармоники подводимого колебания).

Рисунок 2.4 - Схема умножителя частоты: U_вх - входной сигнал; U_вых - выходной сигнал

 

При наличии гетеродина в приемнике при приеме различных радиостанций не требуется перестройка усилителя промежуточной частоты, а перестраиваются только частота гетеродина и резонансный контур радиоприемника.

Если на входы аналогового умножителя подать два гармонических колебания (некий модулированный сигнал и опорное напряжение гетеродина), то его выходное напряжение будет содержать две спектральные составляющие. Спектральная составляющая с разностной частотой w_п.ч = |w_г + w₀| выделяется узкополосным фильтром усилителя промежуточной частоты и используется в качестве промежуточной частоты преобразованного сигнала w_пч. На рисунке 2.5, а показан спектр гармонического колебания, поданного на вход умножителя частоты на частоте w₁. На выходе умножителя появляется гармоническое колебание на частоте пw₁  (рисунок 2.5, б), все остальные спектральные составляющие, в том числе на частоте входного колебания w₁, подавляются (см. рисунок 2.5, б).

Для всех рассмотренных преобразований сигналов (модуляции, детектирования, преобразования и умножения частоты) характерно появление в спектре выходных сигналов новых спектральных составляющих, которых не было в спектре входных сигналов. Такое усложнение спектрального состава колебаний удается получить с помощью нелинейных элементов диодов или транзисторов.

Устройство, на выходе которого получается переменное напряжение с частотой, в целое число раз меньшей частоты напряжения на входе, называется делителем напряжения.

2.3 Ограничение амплитуды колебаний.

Ограничители срезают часть сигналов, лежащую выше или ниже некоторого заданного уровня. Если срезается сигнал выше некоторого уровня, то устройство называется ограничителем по максимуму, если же срезается сигнал ниже некоторого уровня, то устройство называется ограничителем по минимуму.

Существуют также ограничители, срезающие сигнал и сверху и снизу. Наиболее просто ограничение можно получить с помощью диода, используя его свойство не пропускать ток, когда напряжение на аноде становится меньше нуля.

Рисунок 2.5 - Спектры гармонических колебаний: а - на входе умножителя частоты; б - на выходе умножителя частоты; w -  текущее значение частоты; w₁ - частота гармонических колебаний

 

 

 

 

3 Усиление электрических колебаний

 

В процессе преобразования и обработки информации часто оказывается, что уровень мощности колебаний, содержащих эту информацию, не достаточен для работы потребителя и возникает необходимость его увеличить. Для этой цели используют электронные усилители. Усилителем называется устройство, предназначенное для повышения (усиления) напряжения, тока или мощности входного сигнала. Любой усилитель содержит источник питания, активный усилительный элемент и пассивные цепи. Активными элементами в усилителях чаще всего являются биполярные или полевые транзисторы, на которые подается входной сигнал. За счет потребления энергии от источника питания происходит усиление электрических колебаний с помощью активных элементов. Под действием входного сигнала U_вх сопротивление активного элемента изменяется. Входной сигнал лишь управляет передачей энергии от источника питания в нагрузку, так как под его воздействием на выходе усилительного элемента возникают более мощные колебания, передаваемые в нагрузку. При этом желательно, чтобы форма напряжения на выходе усилителя повторяла закон изменения напряжения на его входе.

Структурная схема усилительного каскада представлена на рисунке 3.1. Зажимы усилителя, к которым подводят управляющие колебания, называются входом усилителя. Источник входного сигнала представлен в виде генератора напряжения Е_г, имеющего внутреннее сопротивление R_r. В качестве управляемого элемента используется транзистор, который обеспечивает преобразование энергии постоянного тока от источника питания в энергию переменного тока в нагрузке.

Рисунок 3.1 - Структурная схема усилительного каскада: U_вх - входной сигнал; R_r - внутреннее сопротивление генератора; E_r - генератор напряжения; R_вх - входное сопротивление усилителя; R_вых - внутреннее сопротивление выходного генератора; U_вых - выходное напряжение усилителя; R_н - сопротивление нагрузки; Е_вых - выходной генератор напряжения

 

Источник сигнала создает на входе усилителя переменное напряжение с амплитудой U_вх. Для источника сигнала сам усилитель (транзистор) представляет собой некоторое сопротивление, которое называется входным сопротивлением усилителя R_вх. Усилитель обладает также выходным сопротивлением R_вых. К выходным зажимам усилителя присоединяют сопротивление, которое называется сопротивлением нагрузки R_н, где создается переменное синусоидальное напряжение U_вых  и выделяется мощность усиленных колебаний.Если в усилителе R_вх » R_r, то  он является усилителем напряжения; если R_вх « R_r, то  усилитель  является  усилителем  тока;  в усилителе мощности R_вх @ R_r, т. е. вход согласован с источником входного сигнала.

В большинстве приборов радиоэлектронной техники требуется такой коэффициент усиления, который нельзя получить, используя только один активный элемент (один усилительный каскад). Поэтому усилитель составляют из нескольких усилительных каскадов (рисунок 3.2). Каскады нумеруются в возрастающем порядке от входа. Первый каскад называется входным, а последний - выходным, или оконечным.

 

 

Рисунок 3.2 - Структурная схема многокаскадного усилителя: 1 - входной каскад; 2 - второй каскад; п - 1 - предпоследний каскад; п (п = 1, 2, ...) - оконечный каскад; Е_г - генератор напряжения; R_г - внутреннее сопротивление генератора; R_н - сопротивление нагрузки

 

Нагрузкой первого каскада является входное сопротивление второго каскада, а источником входного сигнала для второго каскада является выход первого каскада (колебания, усиленные первым каскадом, подают на вход второго каскада) и т.д. Входной каскад осуществляет согласование усилителя с источником входного сигнала. Выходной каскад многокаскадного усилителя чаще всего является усилителем мощности и выполняет задачу передачи в нагрузку (например, громкоговоритель) мощности, которая необходима для качественной работы этой нагрузки.

Остальные (промежуточные) каскады необходимы для обеспечения заданного коэффициента усиления. Они называются каскадами предварительного усиления.

3.1 Основные параметры и классификация усилителей

Основными показателями качества (параметрами) усилителей являются коэффициент усиления, полоса пропускания, амплитудная характеристика и динамический диапазон.

3.1.1 Коэффициент усиления  Коэффициентом усиления (коэффициентом передачи) называется отношение выходной величины, которая характеризует передаваемый сигнал, к входной величине. В качестве таких величин используются мощность, напряжение или ток. Все усилительные схемы усиливают мощность входного сигнала, однако в ряде случаев основным показателем усилителя являются величины выходных напряжения и тока. В зависимости от используемой величины различаются коэффициенты усиления по мощности K_Р, напряжению K_U, току K_I. Как правило, коэффициент усиления определяют в установившемся режиме при гармоническом входном сигнале.

Коэффициент усиления по мощности показывает, во сколько раз активная мощность, отдаваемая в нагрузку Р_вых, больше активной мощности, подводимой к его входным зажимам Р_вх. Коэффициент усиления по мощности (K_Р), который всегда больше единицы (K_Р > 1), определяется из соотношения

K_Р  = Р_вых / Р_вх

где Р_вых - мощность, отдаваемая усилителем в заданную нагрузку;

Р_вх - мощность, подводимая к входу усилителя (Р_вх = K_U ∙K_I).

В каждом каскаде усилителя мощность на выходе каскада должна быть больше мощности, подаваемой на вход каскада. Этим активный каскад отличается от пассивного четырехполюсника, например трансформатора, который может повысить напряжение, но не увеличивает мощность. Общий коэффициент усиления многокаскадного усилителя равен произведению коэффициентов усиления отдельных каскадов.

Работу усилительных каскадов на лампах оценивают коэффициентом усиления по напряжению K_U, который определяется из соотношения

K_U = U_вых / U_вх

где U_вых - амплитуда напряжения сигнала на выходе усилителя;

U_вх - амплитуда напряжения сигнала на входе усилителя.

Каскады на транзисторах в отличие от ламповых каскадов вообще не могут работать при отсутствии тока во входной цепи. Поэтому для них показателем качественной работы является коэффициент усиления по току (K_I):

K_I = I_вых/I_вх

где I_вх - амплитуда тока во входной цепи;

I_вых - амплитуда тока в нагрузочном сопротивлении.

Помимо усиления сигнала необходимо, чтобы усилитель не изменял его формы, т. е. в идеальном случае точно повторял все изменения напряжения (или тока). При этом допускается некоторый сдвиг сигнала по времени. При прохождении через усилитель сигналы испытывают искажения, что приводит к искажению формы сигнала. Искажения бывают линейными и нелинейными. Нелинейность усилителя гармонических сигналов оценивается коэффициентом нелинейных искажений K_r . В усилителях звуковых частот нелинейные искажения на слух не заметны, если K_r < 0,2...0,5 %, поэтому для усилителей высшего качества K_r < 0,5 %.

Модуль коэффициента усиления по напряжению |K_U| зависит от частоты усиливаемого сигнала. Изменения амплитуды выходного сигнала, обусловленные зависимостью от частоты модуля комплексного коэффициента усиления, называются амплитудно-частотными искажениями, или просто частотными искажениями. Эти искажения являются линейными. Амплитудно-частотные искажения оцениваются по амлитудно-частотной характеристике, которая представляет собой зависимость модуля коэффициента усиления (коэффициента передачи) от частоты (рисунок 3.3).

Рисунок 3.3 - Полоса пропускания усилителя: |К_и| - модуль коэффициента усиления по напряжению; |К_и|_max - максимальное значение модуля коэффициента усиления; f - текущее значение частоты; f_rp1 , f_rp2 - граничные частоты

 

По усиливаемым параметрам усилители подразделяются на усилители напряжения (коэффициент усиления по напряжению K_U  »1), усилители тока (коэффициент усиления по току K_I  »1) и усилители мощности, в которых выходная мощность усиленного сигнала сравнима с мощностью, подводимой к усилителю от источника питания.

3.1.2 Полоса пропускания усилителя  Полосой пропускания усилителя является диапазон частот, в пределах которого коэффициент усиления приблизительно постоянен и лишь на границах модуль коэффициента усиления уменьшается не более чем в  раз по сравнению с максимальным значением коэффициента усиления (см. рисунок 3.3). Такое снижение усиления напряжения практически не отражается на разборчивости речи, т.е. на качестве звука.

В современных радиоприборах уменьшают полосу пропускания как со стороны нижних, так и со стороны верхних частот, чтобы ослабить возможные помехи. Под коэффициентом частотных искажений M на частоте f понимают отношение максимального значения модуля коэффициента усиления | К_{и max} | к модулю коэффициента усиления на частоте f.

Импульсные усилители предназначены для усиления импульсов, имеющих широкий спектр частот (от одного до нескольких герц, иногда 100...200 МГц). Такую полосу пропускания имеют, например, усилители в осциллографах, применяемых для наблюдения импульсных колебаний наносекундной длительности.  

По размещению полосы пропускания на оси частот усилители подразделяются: на усилители первичных сигналов (их часто называют усилителями низких частот) и усилители радиосигналов (их иногда называют усилителями колебаний высоких или радиочастот).

3.1.3 Амплитудная характеристика усилителя  Амплитудной характеристикой усилителя U_вых.max называется зависимость действующего (или амплитудного) значения выходного напряжения на какой-либо частоте от действующего (или амплитудного) значения входного напряжения U_вх.max  при воздействии на вход усилителя гармонического сигнала на той же частоте. Амплитудная характеристика имеет вид, показанный на рисунок 3.4.

Изгиб амплитудной характеристики при малых напряжениях связан с наличием в усилителе собственных помех (включая шумы), которые обеспечивают на выходе шумовое напряжение и при отсутствии входного сигнала.

 

Рисунок 3.4 - Амплитудная характеристика усилителя: U_вых - выходное напряжение; U_{вых.ном} - выходное номинальное напряжение; U_{вых min} - выходное минимальное напряжение; U_вх - входное напряжение; U_вх.ном - входное номинальное напряжение; U_вх.min - входное минимальное напряжение; K_r -коэффициент нелинейных искажений

 

В любой схеме могут возникать шумы трех видов: тепловые, дробовые и шумы мерцания.

На зажимах каждого резистора из-за хаотичного движения электронов и соударений электронов с узлами кристаллической решетки появляются малые случайные отклонения токов и напряжений от их средних значений. Вследствие этого в резисторах возникают тепловые шумы.

В диоде или транзисторе при прохождении тока через р-п-переход процесс преодоления потенциального барьера в р-п-переходе отдельными носителями заряда носит случайный характер и выражается в случайных отклонениях тока от среднего значения. Этот процесс сопровождается появлением дробовых шумов.

Во всех элементах схем наблюдаются шумы мерцания, которые связаны с медленными изменениями параметров резисторов, конденсаторов, транзисторов, диодов и других элементов.

При увеличении амплитуды входного сигнала U_вх.max наблюдаются нелинейная зависимость амплитуды выходного сигнала U_вых.max от входного сигнала U_{вх max} и уменьшение модуля коэффициента усиления |K| = U_вых.max / U_вх.max. Это связано с нелинейностью характеристик транзистора и ограниченной мощностью источника питания, что не позволяет получить на выходе сигнал слишком большой мощности. Одновременно с ростом амплитуды входного сигнала U_{вх max} растет коэффициент нелинейных искажений K_r. При номинальном входном напряжении U_вх.ном на выходе появляется номинальное выходное напряжение U_{вых.ном} , т.е. такое напряжение, при котором получается допустимый коэффициент линейных искажений K_r.

3.1.4 Динамический диапазон  Динамическим диапазоном усилителя называется отношение выходного номинального напряжения к входному минимальному напряжению, оно определяется из соотношения

где U_{вых.ном} - номинальное значение напряжения на выходе усилителя;

U_{вх min} - минимальное напряжение на входе усилителя, при котором усиливаемый сигнал различим на фоне помех.

В усилителях мощности за динамический диапазон принимается отношение максимальной выходной мощности Р_{вых max} к выходной мощности собственных шумов Р_вых.ш на выходе усилителя. Его определяют в децибелах (дБ) из соотношения

Хорошие усилители имеют динамический диапазон D_y> 120 дБ.

В пределах динамического диапазона усилитель рассматривается как линейное устройство.

Усилитель потребляет от источника питания (одного или нескольких) некоторую мощность Р₀. При оценке мощных выходных усилителей (для оценки степени полезного использования в усилителе этой мощности) существенную роль играет коэффициент полезного действия усилителя h (КПД), который определяется как отношение мощности полезного сигнала на выходной нагрузке усилителя Р_вых (мощность сигнала, отдаваемая в нагрузку усилителя) к мощности, потребляемой от источника питания Р₀:

                                           < 1.

Когда мощность, потребляемая усилительными каскадами от источника питания, невелика, КПД каскада играет второстепенную роль.

Усилители классифицируются по различным признакам.

По виду связи между отдельными каскадами транзисторные усилители могут быть с емкостной, трансформаторной и непосредственной связью. Усилители с емкостной связью (резистивные усилители) позволяют более широко использовать преимущества транзисторов в отношении габаритных размеров, массы, экономичности. Усилители с трансформаторной связью позволяют достаточно просто согласовывать низкое входное и высокое выходное сопротивления транзисторных каскадов. Однако при этом теряются преимущества транзисторных схем по габаритным размерам и массе, так как применение малогабаритных трансформаторов не всегда может обеспечить требуемое усилие. Эти недостатки отсутствуют в усилителях с непосредственной связью. Такие усилители содержат меньшее число деталей и имеют более равномерную частотную характеристику.

По назначению различают усилители мощности, напряжения и тока. По соотношению между величинами выходного сопротивления R_вых и сопротивления нагрузки R_н усилители также можно подразделить на усилители напряжения (R_вых « R_н), усилители тока (R_вых > R_н) и усилители мощности (R_вых » R_н). Однако все перечисленные усилители осуществляют усиление низкочастотных сигналов по мощности, поэтому приведенное разделение условно.

По форме  усиливаемых входных сигналов различают усилители гармонических и импульсных сигналов.

По диапазону усиливаемых частот различают усилители постоянного тока (УПТ), усилители звуковой частоты (УЗЧ) и усилители радиочастоты (УРЧ). Усилители постоянного тока способны усиливать сигналы в диапазоне от f_гр1 = 0 (граничная частота 1) до f_гр2= f_max. Усилители звуковой частоты усиливают низкочастотные сигналы в диапазоне частот от f_гр1  » 20 Гц до f_гр2 » 20 кГц. В усилителях радиочастоты в качестве нагрузки используется параллельный колебательный контур или система связанных контуров. Такие усилители применяются для усиления амплитудно-модулированных и частотно-модулированных колебаний.

В зависимости от типа активного прибора все усилители подразделяются на транзисторные и усилители на электровакуумных приборах - электронных лампах. В усилителях в основном применяются биполярные и полевые транзисторы, а новейшая усилительная техника базируется на интегральных микросхемах.

По ширине полосы усиливаемых частот усилители бывают узкополосные и широкополосные.

В радиопередающих устройствах используют усилители первичных сигналов. Первичные сигналы, которые иногда называются управляющими сигналами, представляют собой электрические процессы, отображающие передаваемое сообщение (например, сигналы, которые создаются микрофоном под воздействием речи или музыки). В радиопередающих устройствах эти сигналы усиливаются, затем они управляют колебаниями радиопередатчика (осуществляют модуляцию).

В радиоприемных устройствах между антенной и детектором включают усилители радиочастот (иногда их называют усилителями высоких частот), повышающие мощность радиосигнала до значения, при котором детектор восстанавливает первичный сигнал.

3.2 Усилители напряжения

К выходу усилителя напряжения подключается высокоомный вход (с большим входным сопротивлением R_вх) следующего каскада обработки сигнала (усиления, детектирования, преобразования частоты т.д.). Для нормальной работы усилителя напряжения сопротивление нагрузки R_н транзистора включают внутри усилителя (рисунок  3.5).

                     

Рисунок 3.5 - Схема включения усилителя напряжения: U_вх - входное напряжение; R_тр - сопротивление транзистора; R_н - сопротивление нагрузки усилителя; R_вх - входное сопротивление следующего каскада; Е_п - источник питания усилителя

Усилителями напряжения являются усилители радиочастоты, промежуточной частоты, звуковой частоты, дифференциальные усилители.

К усилителям радиочастоты принято относить усилители напряжения, у которых в качестве нагрузки используется одиночный резонансный колебательный контур или система колебательных контуров, возможна перестройка по частоте (резонансный усилитель). Такие усилители усиливают колебания в полосе частот Df в окрестности резонансной частоты f_рез (f_рез =f₀) (рисунок  3.6). Их используют для усиления амплитудно-модулированных и частотно-модулированных сигналов.

К усилителям промежуточной частоты относятся усилители напряжения, у которых нагрузкой является система связанных колебательных контуров. Такие усилители имеют фиксированную настройку.

Усилители звуковой частоты усиливают низкочастотные сигналы в диапазоне частот от f_гр1  » 20 Гц до f_гр2 » 20 кГц (см. рисунок  3.3). Амплитудно-частотная характеристика такого усилителя показана на рисунке  3.6. Такие усилители напряжения называются видеоусилителями, они используются в телевизионных передатчиках и приемниках для усиления управляющих телевизионных сигналов (видеосигналов).

 

Рисунок  3.6 - Амплитудно-частотная характеристика усилителя радиочастоты: |K_u| - модуль коэффициента усиления по напряжению; K_{u max} - максимальное значение коэффициента усиления по напряжению; f - текущее значение частоты; f₁ и f₂ - граничные частоты; f₀ - несущая частота; Df - полоса пропускания

 

Рисунок  3.7 - Амплитудно-частотная характеристика усилителя звуковой частоты: |K_u| - модуль коэффициента усиления по напряжению; K_{u max} - максимальное значение коэффициента усиления по напряжению; f- текущее значение частоты; f₁ и f₂ - граничные частоты

 

Дифференциальным усилителем является устройство, усиливающее разность двух напряжений. В идеале выходное напряжение такого усилителя пропорционально только разности напряжений, приложенных к двум его входам, и не зависит от их абсолютных величин. Структурная схема дифференциального усилителя показана на рисунке 3.8. Один из входов дифференциального усилителя (U_вх1) называются левым плечом, другой (U_вх2) - правым плечом.

При подаче напряжения на один или оба входа дифференциального усилителя выходное напряжение можно снимать как с двух, так и с одного выхода. Иногда усиливаемое напряжение подают лишь на один из входов дифференциального усилителя, а второй вход соединяют с общим проводом (землей). При таком включении дифференциальный усилитель является фазоинвертором. На его двух выходах относительно «земли» создаются два одинаковых напряжения, имеющих противоположные фазы.

 

 

Рисунок 3.8 - Структурная схема дифференциального усилителя: U_вх1, U_вх2 - напряжения на первом и втором входах усилителя; U_вых1, U_вх2 - напряжение на первом и втором выходах усилителя; U_вых12 — напряжение на зажимах симметричного выхода (U_вых12= U_вых1 - U_вых2)

 

Если выходное напряжение снимают с одного из несимметричных выходов, то при снятии напряжения с первого выхода коэффициент усиления разностного сигнала определяется из соотношения

K_p1 = DU_вых1/( U_вх1 - U_вх2)

где U_вых1 - приращение напряжения на первом выходе за счет разности входных напряжений U_вх1 - U_вх2.

При снятии напряжения со второго выхода коэффициент усиления разностного сигнала определяют из соотношения

K_p2 = DU_вых2/( U_вх1 - U_вх2)

где U_вых2 - приращение напряжения на первом выходе за счет разности входных напряжений U_вх1 - U_вх2.

Для симметричной схемы выполняются условия:

DU_вых2 = - DU_вых1; DU_вых1-DU_вых2= 2DU_вых2.

Откуда

K_p1 = - K_p2 = K_p/2,

где K_p - коэффициент передачи разностного сигнала.

У идеального дифференциального усилителя коэффициент передачи разностного сигнала К_р равен отношению разности напряжений на выходе к разности напряжений на входе:

K_p= U_вых12 /( U_вх1 - U_вх2),

где U_вых12 - напряжение на зажимах симметричного выхода (U_вых12 = U_вых1 - U_вых2);

U_вх1, U_вх2 - соответственно напряжения на первом и втором входах усилителя.

Реальный усилитель не обладает идеальной симметрией, в результате чего напряжение на выходе зависит не только от разности, но и от суммы входных сигналов. Питание дифференциального усилителя осуществляется от двух источников, напряжения которых равны (по модулю). Сумма входных сигналов, поделенная на два, называется синфазным сигналом. Синфазными сигналами являются обычно помехи. Качество дифференциального усилителя (его приближение к идеальному) оценивается коэффициентом ослабления синфазного сигнала K_ос.с, который определяется отношением коэффициентов передачи разностного K_р и синфазного K_с сигналов:

K_ос.с = K_р /K_с.

Коэффициент ослабления синфазного сигнала характеризуется способностью схемы усиливать дифференциальные сигналы и ослаблять синфазные помехи.

Дифференциальные усилители почти всегда используют с внешней отрицательной обратной связью, которая определяет их результирующие характеристики.

Дифференциальный усилитель можно реализовать на дискретных элементах (резисторах, транзисторах) или в интегральном исполнении. При использовании дискретных элементов необходимо подбирать транзисторы левого и правого плеч с очень близкими параметрами. При большом различии параметров транзисторов схема дифференциального усилителя не работоспособна, так как один из транзисторов с большим коэффициентом усиления тока своим эмиттерным током через эмиттерное сопротивление запирает другой транзистор. Иногда для балансировки схемы вместо подбора транзисторов применяют выравнивающие резисторы. Но даже при точном подборе транзисторов и резисторов усилитель на дискретных элементах имеет температурные параметры значительно худшие, чем дифференциальный усилитель в интегральном исполнении. Часто в одной микросхеме применяются несколько транзисторов, которые для увеличения усиления включаются каскадно. Главным преимуществом дифференциального усилителя, особенно в интегральном исполнении, является малый дрейф нуля.

Первые дифференциальные усилители создавались для биологических исследований.

3.3 Усилители тока

В зависимости от значения нижней граничной частоты усиливаемых сигналов усилители подразделяются на усилители переменного и постоянного тока.

Усилители переменного тока усиливают лишь гармонические составляющие сигнала в определенной полосе частот. Среди усилителей переменного тока различают усилители низких частот, промежуточных частот, высоких частот, сверхвысоких частот и широкополосные.

Усилителями постоянного тока являются устройства, предназначенные для усиления медленно изменяющихся сигналов вплоть до нулевой частоты. Схема усилителя постоянного тока показана на 3.9. Усилители постоянного тока способны усиливать не только переменные напряжения и токи, но и передавать с усилением уровень постоянной составляющей. Следовательно, нижняя граничная частота усилителя равна нулю, а верхняя может быть как очень низкой, так и очень высокой, например, может равняться нескольким мегагерцам (в диапазоне от f_гр1 = 0 до f_гр2 = f_max (см. рисунок  3.3)). Амплитудно-частотные характеристики усилителей постоянного тока показаны на рисунке 3.10.

Рисунок 3.9 - Схема усилителя постоянного тока: Е_п - источник питания; R_н - сопротивление нагрузки усилителя; DU_вх - изменение входного напряжения; DU_вых - изменение выходного напряжения; R₁, R₂ - резисторы; VT -  транзистор

 

Отличительной особенностью усилителей постоянного тока является отсутствие разделительных элементов, предназначенных для отделения усилительных каскадов друг от друга, а также от источника сигнала и нагрузки по постоянному току. Непосредственную связь между каскадами применяют потому, что связь через разделительные конденсаторы и трансформаторы не обеспечивает передачи постоянной составляющей усиливаемого сигнала. Непосредственную связь между каскадами применяют и в усилителях переменного тока, особенно при выполнении их в виде интегральных микросхем.

В усилителях постоянного тока наблюдается нежелательное явление - дрейф нуля. Дрейфом нуля называется самопроизвольное изменение напряжения или тока на выходе усилителя при постоянстве его на входе. Причинами дрейфа нуля являются нестабильность источника питания, температурная и временная нестабильность параметров транзисторов, низкочастотные шумы, помехи и наводки. Среди перечисленных причин наибольшую нестабильность вносят изменения температуры. Элементами для температурной компенсации служат терморезисторы, полупроводниковые диоды  и р-n-переходы транзисторов.

Напряжение источника питания можно стабилизировать, стабилизировать температуру технически сложно. Дрейф нуля можно полностью устранить, применив предварительное преобразование усиливаемого постоянного напряжения на входе усилителя в переменное. Для этого переменное напряжение усиливается усилителем переменного тока и на его выходе преобразуется в постоянное. Преобразование осуществляют с помощью электромеханических или электронных коммутатор, которые синхронно коммутируют входное и выходное напряжения. Недостатком метода является трудность осуществления этого преобразования при очень высокой частоте сигнала.

 

 

 

 

	fmax                                f

 

 

Рисунок 3.10 - Амплитудно-частотная характеристика усилителя постоянного тока: |К_и| - модуль коэффициента усиления по напряжению; К_{и мах} - максимальное значение коэффициента усиления по напряжению; f - текущее значение частоты; f_max - максимальное значение частоты

 

В усилителях переменного тока тоже имеет место дрейф нуля, но поскольку их каскады отделены друг от друга разделительными элементами (например, конденсаторами), то этот низкочастотный дрейф не передается из предыдущего каскада в последующий и не усиливается им. Поэтому в таких усилителях дрейф нуля минимален и его обычно не учитывают.

Однотактные усилители постоянного тока прямого усиления являются обычными многокаскадными усилителями с непосредственной связью. Их применяют для получения сравнительно небольшого коэффициента усиления.

3.3.1 Определение коэффициента усиления по току  Коэффициент усиления по току определяется как:

где , а .

Следовательно, получим:

.

Из выражения следует, что коэффициент усиления по току .

Для увеличения k_i следует уменьшать R_Н, однако, начиная с определенного значения R_Н ,  начинает снижаться k_U, что может привести к противоположному эффекту.

 

 

3.4 Усилители мощности

Усилителем мощности называется усилитель, в котором выходная мощность усиленного сигнала сравнима с мощностью, подводимой от источника постоянного тока. Основной задачей усилителя мощности является выделение в нагрузке возможно большей мощности. Усиленный сигнал большой мощности без искажения создается на сопротивлении нагрузки, подключаемой извне к выходу усилителя. Для этой цели часто используются понижающие согласующие трансформаторы или специальные схемы, не содержащие трансформаторов.

При усилении радиочастотных колебаний в качестве сопротивления нагрузки транзистора или электронной лампы можно использовать параллельный колебательный контур, который настраивают в резонанс с частотой усиливаемых колебаний. Такой усилитель называется резонансным. В резонансных усилителях нет падения постоянного напряжения на сопротивлении нагрузки, поэтому сопротивление нагрузки можно выбирать очень большим. Они служат для усиления мощности колебаний высокой частоты. Их используют в основном в радиопередающих устройствах для создания высокочастотных колебаний необходимой мощности в передающей антенне. Резонансные усилители часто называют усилителями мощности с внешним возбуждением.

Обычно усилители мощности являются выходными каскадам многокаскадных усилителей (радиоприемников, телевизоров). Выходная мощность Р_вых таких усилителей находится в пределах от долей ватта до нескольких киловатт и сравнима с мощностью питания Р_пт, подводимой к активному нелинейному элементу (транзистору, электронной лампе) от источника постоянного тока. Когда отдаваемая в нагрузку мощность полезного сигнала становится большой, возникает вопрос экономии энергии. Для этого, прежде всего, уменьшают мощность, выделяющуюся в самом каскаде. Наиболее простым усилителем мощности является однотактный усилитель, схема которого показана на рисунке 3.11. Однотактные усилители усиливают только одну полярность или только одну половину гармонического сигнала. В двухтактных усилителях положительная составляющая сигнала усиливается одним активным элементом, а отрицательная - другим. В нагрузке R_н эти усиленные компоненты складываются таким образом, что восстанавливается первоначальная форма сигнала. Для обеспечения высоких энергетических показателей усилителя мощности амплитуды выходных напряжений, токов, а также выходная мощность усиленного сигнала должны быть близки к соответствующим предельно допустимым параметрам используемого транзистора. В таком режиме работает обычно выходной каскад усилителя звуковых частот в радиовещательных приемниках.

Режим работы каскада, при котором рабочую точку выбирают в середине линейного участка динамической вольтамперной характеристики, определяют как линейный режим А.

 

Рисунок 3.11 - Схема однотактного усилителя мощности: Е_п - источник питания; R₁, R₂ - резисторы; VT — транзистор; U_вх - входное напряжение; R_э - сопротивление эмиттера; С_э - ёмкость эмиттера; С - конденсатор

 

Такой режим обеспечивает минимальные нелинейные искажения, но является неэкономичным. Мощность в таком каскаде выделяется и в отсутствии сигнала, поэтому максимально возможный коэффициент полезного действия (КПД) может приближаться лишь к 50 %. Режим работы, при котором начальную рабочую точку выбирают в самом начале динамической вольтамперной характеристики усиления (находясь в режиме покоя, транзистор закрыт и не потребляет мощности от источника питания), называется режимом В. Работа каскада на этом режиме становится более экономичной. Мощность, выделяемая в каскаде, который работает в режиме В, при отсутствии сигнала мала. Однако в этом случае каскад способен усилить сигналы только одной полярности или только одну половину гармонического сигнала.

Основными показателями усилителя мощности являются отдаваемая в нагрузку полезная мощность Р_н, коэффициент полезного действия h коэффициент нелинейных искажений K_r  и полоса пропускания амплитудно-частотной характеристики (АЧХ).

3.5 Усилители с обратной связью

Обратной связью называется передача части энергии из выходной цепи усилителя во входную цепь (воздействие выходного сигнала на вход). Если на вход усилителя помимо сигнала, подаваемого от внешнего источника, поступает также выходной сигнал рассматриваемого усилителя или его часть, то в усилителе осуществляется обратная связь, такие усилители называются усилителями с обратной связью. Выходной сигнал может поступать на вход устройства полностью или только частично. Сниматься сигнал обратной связи может как с выхода всего устройства, так и с какого-либо промежуточного каскада, и подаваться может как на вход всего устройства, так и во входную цепь промежуточного каскада.

Обратную связь, охватывающую один каскад, принято называть местной, а охватывающую весь многокаскадный усилитель - общей. Структурная схема усилителя с обратной связью приведена на рисунке 3.12.

 

Рисунок 3.12 - Структурная схема усилителя с обратной связью: U_r - напряжение генератора; U_вх - входной сигнал; U_вых - выходной сигнал; K - коэффициент усиления; U_о.с. - напряжение обратной связи; b - коэффициент обратной связи

 

Пассивная электрическая цепь, через которую сигнал с выхода усилителя подается на его вход, называется цепью обратной связи. Усилитель вместе с цепью обратной связи образуется замкнутый контур, который называется петлей обратной связи. В общем случае петля обратной связи может охватывать один или несколько каскадов.

Обратная связь может возникать за счёт нежелательного влияния выходных цепей на входные (такую обратную связь называют паразитной), а может специально вводиться в усилитель для изменения его характеристик и параметров. Существует два вида обратной связи: внутренняя и внешняя. При внутренней обратной связи часть выходного напряжения или тока проникает на вход усилителя за счет внутренних цепей активных элементов. Внешние обратные связи создают специально за счет введения в схему дополнительных цепей. Если такая внешняя обратная связь не предусматривалась, а сигнал с выхода усилителя попадает на его вход, то это может происходить из-за ошибок при монтаже усилительного каскада.

Качество работы усилителей с обратной связью оценивается коэффициентом усиления K и коэффициентом обратной связи b. Коэффициент обратной связи b  представляет собой отношение сигнала обратной связи, поступающего на вход с выхода устройства, к выходному сигналу. Обратная связь характеризуется глубиной F.

Обратные связи позволяют улучшать характеристики как отдельных каскадов, так и усилителей в целом. Наличие обратной связи может привести к увеличению либо уменьшению сигнала на выходе устройства и, соответственно, коэффициента усиления. В первом случае фазы входного сигнала и сигнала обратной связи совпадают и амплитуды складываются. Такая обратная связь называется  положительной.

В большинстве усилителей положительная обратная связь является нежелательной и используется крайне редко. Во втором случае фазы противоположны и амплитуды сигналов вычитаются. Такая обратная связь называется отрицательной. Отрицательная обратная связь уменьшает коэффициент усиления, но при этом уменьшаются также частотные и нелинейные искажения и стабилизируются характеристики усилителя.

Основное применение в усилительных устройствах находит отрицательная обратная связь. Её различают по способам подачи сигналов во входную цепь усилителя и снятия с выхода усилителя. Если во входной цепи усилителя вычитается ток цепи обратной связи из тока входного сигнала, то такая отрицательная обратная связь называется параллельной. Если во входной цепи напряжения входного сигнала и обратной связи вычитаются, то такая отрицательная обратная связь называется последовательной.

Способ подключения цепи обратной связи к выходу усилителя позволяет получать связь по току или напряжению. Напряжение обратной связи может зависеть или от входного напряжения, или от тока в нагрузке, или от выходного напряжения и тока в нагрузке вместе. В соответствии с этим различают обратную связь:

- параллельную по напряжению (рисунок 3.13, а);

- последовательную по напряжению (рисунок 3.13, б);

- параллельную по току (рисунок 3.13, в);

- последовательную по току (рисунок. 3.13, г).

 

Рисунок 3.13 - Схемы усилителей с обратными связями: а - параллельная по напряжению; б - последовательная по напряжению; в - параллельная по току; г - последовательная по току; U_вх - входной сигнал; U_вых - выходной сигнал

Напряжение обратной связи по напряжению пропорционально напряжению на выходе усилителя. При последовательной обратной связи по напряжению с выхода усилителя снимается часть выходного напряжения U_o.c, которое во входной цепи алгебраически складывается с входным напряжением U_вх. Напряжение обратной связи определяется из соотношения

U_o.c = b U_вых

где U_вых - выходное напряжение.

Коэффициент усиления по напряжению К_{и о.с} усилителя, охваченного обратной связью, определяется из соотношения

где b - коэффициент обратной связи;

K_u - коэффициент усиления по напряжению усилителя без обратной связи (K_u = U_вых / U_вх).

Глубина обратной связи по напряжению F_u определяется из соотношения

F_u=1 + b K_u.

Введение глубокой последовательной отрицательной обратной связи по напряжению обеспечивает стабильность усиления по напряжению, снижает линейные и нелинейные искажения, повышает входное и уменьшает выходное сопротивления усилителя.

Напряжение обратной связи по току пропорционально току нагрузки. Последовательная обратная связь по току отличается от последовательной обратной связи по напряжению только способом снятия сигнала обратной связи с выхода усилителя.

При последовательной обратной связи по току в входную цепь усилителя включают специальный резистор R_o.с, падение напряжения на котором пропорционально входному току. Внешние воздействия и разброс параметров транзисторов не оказывают существенного влияния на коэффициент усиления K_{i o.c} усилителя с глубокой последовательной отрицательной связью по току. Однако такой усилитель весьма чувствителен к изменениям сопротивления нагрузки. Последовательная отрицательная обратная связь по току стабилизирует коэффициент усиления при постоянной нагрузке, снижает искажения, повышает входное и выходное сопротивления усилителя.

Параллельная обратная связь по току отличается от последовательной обратной связи по току только тем, что напряжение U_o.c образует ток обратной связи I_о.с, протекающий через дополнительный резистор R (рисунок 3.13, г). Во входной цепи усилителя происходит алгебраическое сложение тока обратной связи I_о.с и тока входного сигнала.

Напряжение смешанной обратной связи пропорционально и току в нагрузке, и выходному напряжению.

Если общей отрицательной обратной связью охвачено большое количество каскадов, то недостатком такой связи может быть неустойчивость работы усилителя, вследствие чего в устройстве может возникнуть самовозбуждение. Если это произойдет, то усилитель перестанет выполнять свою основную функцию - усиливать (превратится в генератор). Для обеспечения устойчивой работы усилителя целесообразно охватывать общей отрицательной обратной связью возможно меньшее число каскадов, а также применять специальные корректирующие цепи.

Цепи обратной связи используются в операционных усилителях.

3.6 Техническая классификация полупроводниковых усилителей

3.6.1 Схема с общей базой  При проектировании усилителей на биполярных транзисторах входной переход транзистора всегда включают в прямом направлении, а выходной в - обратном. На рисунке 3.14 приведена схема усилителя на биполярном транзисторе, включенном с общей базой (ОБ).

Резистор R_К является нагрузкой транзистора и определяет его усилительные свойства.

Если R_К=0, то эффект усиления напряжения не происходит, т.к. U_КБ=E_К=const. С увеличением R_К растет коэффициент усиления схемы по напряжению, однако существует ограничение на R_К сверху.

 

Рисунок 3.14 - Схема усилителя по схеме с общей базой.

 

Для данной схемы ориентировочные значения коэффициентов усиления можно определить следующим образом:

,

Поскольку для усилителя с ОБ , , а (т.к. входной переход транзистора включен в проводящем направлении) то получим, k_U>>1

Коэффициент усиления по току k_I меньше 1.

,     k_I »(0.5¸0.95).

Следовательно, схема усилителя с ОБ усиливает напряжение, мощность, но не усиливает ток.

 

 

3.6.2 Схема с общим эмиттером  Схема усилителя представлена на рисунке 3.15. Назначения элементов аналогичны представленной ранее схемы.

 

 

Рисунок 3.15 - Принципиальная схема усилителя с ОЭ

 

3.6.3 Схема с общим коллектором (эмиттерный повторитель)  Принципиальная схема  приведена на рисунке 3.16.

Выводы:

Схема с общим коллектором обладает самым низким выходным и самым высоким входным сопротивлениями из 3^х схем включения транзистора, приведенных выше. Поэтому такая схема применяется как согласующий каскад между источниками входных сигналов с высоким R_Вх и низкоомной нагрузкой. Данная схема обладает самым высоким коэффициентом усиления по току , однако не усиливает напряжение (k_U»1), поэтому её называют эмиттерным повторителем, т.к. выходной сигнал повторяет входной как по фазе, так и по амплитуде.

Схема с общим коллектором применяется в качестве входных и выходных каскадов для обеспечения большого входного и малого выходного сопротивлений усилителя. Также применяется в качестве согласующего каскада между усилительными каскадами ОБ – ОБ или ОБ – ОЭ.

 

 

Рисунок 3.16 -  Принципиальная схема усилителя на биполярном транзисторе, включенного по схеме с общим коллектором.

 

 

 

 

3.7 Усилители на полевых транзисторах

3.7.1 Схема с общим истоком Принципиальная схема усилителя приведена на рисунке 3.17.

 

Рисунок 3.17 -  Принципиальная схема усилителя

 

Принцип построения схемы аналогичен схеме усилителя на биполярном транзисторе, включенном с общим эмиттером. Резистор R_С аналогичен R_К, цепочка автоматического смещения выполняет функцию резистора R_Б или делителя.

В данной схеме R_И, R_З и С_И образуют цепочку автоматического смещения. На R_И происходит падение напряжения обусловленное током стока, которое передается на затвор через резистор R_З, и определяет положение рабочей точки, т.е. режим работы транзистора по постоянному току. С_И шунтирует R_И в режиме переменного тока, не нарушая тем самым положение точки покоя определенное в режиме по постоянному току.

3.7.2 Схема с общим стоком Принципиальная схема усилителя приведена на рисунке 3.18.

 

 

Рисунок 3.18 -  Принципиальная схема усилителя на ПТ по схеме с общим стоком

 

Для расчёта стокового повторителя по переменному току воспользуемся линейной моделью усилителя приведенной на рисунке 3.19. При расчете основных параметров каскада.

 

 

Рисунок 3.19 -  Схема замещения стокового повторителя.

 

Коэффициент усиления повторителя по напряжению можно определить как:

.

Анализируя последнее выражение для k_U, можно убедиться, что k_U<1 и по аналогии с эмиттерным повторителем имеет значения порядка k_U=0.9¸0.99.

Поскольку: k_U»1; R_Вых»R_З; R_Н»(2¸5)×R_Вых, т.е. сотни Ом – единицы кОм, то k_i получаем порядка 10³. Следовательно, k_i>>1.

Итак, схема с общим стоком обладает самым большим входным и самым низким выходным сопротивлениями, при коэффициенте усиления по напряжению меньше 1 (0.9¸0.99), а по току много больше 1 (»10³).

Следовательно, она аналогична схеме эмиттерного повторителя и также используется в качестве согласующего каскада между источником сигнала с высоким внутренним сопротивлением и низкоомной нагрузкой.

3.8 Причины нелинейных искажений

Под нелинейными искажениями понимают изменение формы выходного сигнала по отношению ко входному сигналу. Эти изменения обусловлены нелинейностью входных и выходных характеристик транзистора.

Степень искажения оценивают при помощи коэффициента искажения g. Для его определения используются сквозную характеристику каскада, которая представляет собой зависимость выходного тока от входного напряжения:

 

.

 

Вид сквозной характеристики представлен на рисунке 3.20.

 

 

Рисунок 3.20 - Сквозная характеристика каскада

 

I_Вых можно разложить в ряд Фурье:

 

.

 

Полезной является только первая гармоника, остальные определяют искажения:

,                 ,              .

Так как гармоники более высокого порядка малы, то достаточно оценивать до 4-ой гармоники.

.

При проектировании усилительного каскада задаются g_Общ и обеспечивают, чтобы искажения в усилителе не превышали заданные. Искажения определяются следующими факторами:

 - заданные значения входного напряжения;

 - нелинейность входной ВАХ транзистора;

 - отношение  (должно быть как можно больше, но не превышать 1.5 – 2).

3.9 Схема включения транзистора

Рассмотрим зависимость коэффициента искажений g_Общ от отношения , для различных схем включения транзистора. Эти зависимости приведены на рисунке 3.21.

Как видно из рисунка 3.21 для схемы с ОБ при увеличении отношения , уменьшается коэффициент искажений, а для схемы с ОЭ это отношение не должно превышать 1.5.

 

 

Рисунок 3.21 -  Зависимость g_Общ от отношения , (а – для схемы с общей базой ОБ, б – для схемы с общим эмиттером ОЭ)

 

 

4 Операционные усилители, их основные характеристики и           параметры

 

4.1 Определение операционного усилителя

Операционным усилителем принято называть усилитель постоянного тока с дифференциальным входом и однотактным выходом. Операционные усилители обладают большим коэффициентом усиления, широкой полосой пропускания, высоким входным и низким выходным сопротивлением и малым дрейфом нуля.

Структурная схема операционного усилителя показана на рисунке 4.1а. У операционного усилителя имеются два входа: инвертирующий (обозначен знаком «-») и неинвертирующий (обозначен знаком «+»).

В состав многокаскадных операционных усилителей входят дифференциальные усилители (их включают на входе). Условное обозначение операционного усилителя показано на рисунке 4.1, б. Они получили свое название потому, что раньше их использовали в аналоговых вычислительных машинах для выполнения операций суммирования, умножения, дифференцирования, интегрирования.

 

Рисунок 4.1 - Операционный усилитель: а - структурная схема; б - упрощенное условное обозначение; U_- - напряжение на инвертирующем входе; U₊ - напряжение на неинвертирующем входе; U_вых - выходное напряжение

 

В настоящее время основными аналоговыми функциями принято считать: усиление, сравнение, ограничение, перемножение и частотную фильтрацию сигналов. Каждая из этих функций выполняется особым классом аналоговых интегральных схем. Однако все эти специализированные интегральные схемы, как правило, происходят от основного, наиболее универсального и многофункционального узла - операционного усилителя (ОУ).

Аналоговые устройства по сравнению с цифровыми характеризуются гораздо большим разнообразием по виду сигналов, выполняемым функциям, а также по назначению и внутренней структуре. Поэтому унификация элементной базы в области аналоговых устройств возможна только на основе многофункциональных узлов (интегральные микросхемы, операционные усилители и т.д.).

4.2 Операционный усилитель (ОУ)

Операционный усилитель предназначен для выполнения математических операций в аналоговых вычислительных машинах.

В настоящее время номенклатура ОУ насчитывает сотни наименований. Операционные усилители выпускаются в малогабаритных корпусах и очень дешевы, что способствует их массовому распространению.

Операционные усилители представляют собой усилители постоянного тока с низкими значениями напряжения смещения нуля и входных токов и с высоким коэффициентом усиления. По размерам и цене они практически не отличаются от отдельного транзистора. В то же время, преобразование сигнала схемой на ОУ почти исключительно определяется свойствами цепей обратных связей усилителя и отличается высокой стабильностью и воспроизводимостью. Кроме того, благодаря практически идеальным характеристикам ОУ реализация различных электронных схем на их основе оказывается значительно проще, чем на отдельных транзисторах. Поэтому операционные усилители почти полностью вытеснили отдельные транзисторы в качестве элементов схем ("кирпичиков") во многих областях аналоговой схемотехники.

На рисунке 4.2 дано схемное обозначение операционного усилителя. Входной каскад его выполняется в виде дифференциального усилителя, так что операционный усилитель имеет два входа. В дальнейшем будем, при необходимости, обозначать неинвертирующий вход буквой p (positive - положительный), а инвертирующий - буквой n (negative - отрицательный). Выходное напряжение U_вых находится в одной фазе с разностью входных напряжений:

U_вых = U₁ - U_2.

Чтобы обеспечить возможность работы операционного усилителя как с положительными, так и с отрицательными входными сигналами, следует использовать двухполярное питающее напряжение. Для этого нужно предусмотреть два источника постоянного тока, которые, как это показано на рисунке 4.1, подключаются к соответствующим внешним выводам ОУ. Обычно интегральные операционные усилители работают с напряжением питания ±15 В.

Рисунок 4.2 - Обозначение ОУ

 

Наконец, очень важное обстоятельство: операционный усилитель почти всегда охвачен глубокой отрицательной обратной связью, свойства которой и определяют свойства схемы с ОУ.

Принцип введения отрицательной обратной связи иллюстрируется рисунке 4.3.

 

 

Рисунок 4.3 -  Принцип отрицательной обратной связи

 

Часть выходного напряжения возвращается через цепь обратной связи ко входу усилителя. Если, как это показано на рисунке 4.3, напряжение обратной связи вычитается из входного напряжения, обратная связь называется отрицательной.

Для физического анализа схемы, представленной на рисунке 4.3, допустим, что входное напряжение изменилось от нуля до некоторого положительного значения U_вх. В первый момент выходное напряжение U_вых, а следовательно, и напряжение обратной связи bU_вых также равны нулю. При этом напряжение, приложенное ко входу операционного усилителя, составит U_д = U_вх. Так как это напряжение усиливается усилителем с большим коэффициентом усиления K_U, то величина U_вых быстро возрастет до некоторого положительного значения и вместе с ней возрастет также величина bU_вых. Это приведет к уменьшению напряжения U_д, приложенного ко входу усилителя. Тот факт, что выходное напряжение воздействует на входное напряжение, причем так, что это влияние направлено в сторону, противоположную изменениям входной величины и есть проявление отрицательной обратной связи. После достижения устойчивого состояния выходное напряжение ОУ

 

U_вых =K_UU_д =K_U(U_вх - bU_вых).

 

Коэффициент усиления ОУ с обратной связью определяется почти исключительно только обратной связью и мало зависит от параметров самого усилителя. В простейшем случае цепь обратной связи представляет собой резистивный делитель напряжения. При этом схема с ОУ работает как линейный усилитель, коэффициент усиления которого определяется только коэффициентом ослабления цепи обратной связи. Если в качестве цепи обратной связи применяется RC-цепь, то образуется активный фильтр. Наконец, включение в цепь обратной связи ОУ диодов и транзисторов позволяет реализовать нелинейные преобразования сигналов с высокой точностью.

4.3 Классификация ОУ

Операционные усилители характеризуются большим числом параметров, значения которых варьируются в широких пределах в зависимости от предъявляемых к ОУ требований. Учитывая это, естественно классифицировать усилители по значению наиболее важных параметров. Нередко делят ОУ на прецизионные, или усилители высокой точности (УВТ), усилители средней точности (УСТ) и усилители малой точности (УМТ), разбивая их параметры на три класса.

Классификация приведена на рисунке 4.4. Все усилители делятся на ОУ с дифференциальным входом (ДОУ) и ОУ только с инвертирующим входом (Ин ОУ). Каждая группа может быть построена без преобразования сигнала (ОУ БП) и с преобразованием сигнала (ОУ ПС). Преобразование сигнала может быть реализовано в схемах с однократной модуляцией и демодуляцией (ОУ МДМ-1) или с двукратной (ОУ МДМ-2), с управляемыми генераторами (ОУ УГ), а также с периодической компенсацией дрейфа (ОУ ПКД). Каждый из перечисленных классов ОУ может выполняться с применением параллельного высокочастотного канала (ВЧС) или без него. Кроме того, ОУ могут быть выполнены либо как преобразователи напряжения в напряжение, т. е. без повторителя тока (ПТ) на входе, либо как преобразователи тока в напряжение с ПТ на входе.

Операционные усилители без преобразования сигнала просты, удобны для интегральной технологии изготовления и потому получили наибольшее распространение. Их, в свою, очередь можно разбить на различные подгруппы в зависимости от построения входных и выходных каскадов. Наиболее часто их делят по типу входных транзисторов на ОУ с обычными биполярными транзисторами, с транзисторами «супер-b» (со сверхвысоким усилением по току), с полевыми транзисторами с p-n - переходом и ОУ с МОП - транзисторами. Операционные усилители БП всех этих подгрупп имеют высокое применение: первых двух - благодаря простоте изготовления и низкой стоимости, вторых двух - благодаря сочетанию сравнительно малого входного тока с малым дрейфом нуля. Усилители с дифференциальным входом обладают существенно большими функциональными возможностями, чем только инвертирующие. Однако ДОУ не могут полностью заменить ИнОУ, так как последние позволяют получать большее быстродействие и лучшую стабильность.

Операционные усилители с преобразованием сигнала обычно сложней и дороже, чем ОУ БП, но они необходимы для обеспечения минимальных значений дрейфа и низкочастотных шумов. Причём ОУ МДМ-1 позволяют обеспечить минимальный дрейф нуля, но они имеют больший уровень шумов, чем ОУ МДМ-2. Операционные усилители с управляемыми генераторами имеют преимущества при обеспечении высокого входного сопротивления, малого входного тока и при гальванической развязке цепей. Операционные усилители с периодической компенсацией дрейфа по электрическим параметрам несколько уступают ОУ МДМ-1, но оказываются более технологичными по реализации по полупроводниковой интегральной технологии.

Усилители с ВЧК по сравнению с одноканальными (без ВЧК) позволяют получить больший запас устойчивости, увеличить частоту среза и максимальную скорость нарастания сигнала.

Для получения минимального времени установления выходного напряжения с заданной погрешностью существенными преимуществами обладают ОУ с повторителем тока на входе.

4.4 Структурные схемы операционных усилителей

Обобщенная структурная схема ОУ показана на рисунке 4.5. Она содержит два каскада усиления и эмиттерный повторитель на выходе. Коэффициент усиления по напряжению каждого из двух каскадов усиления обычно лежит в пределах от 300 до 1000, а коэффициент усиления эмиттерного каскада обычно равен 1, поэтому общий коэффициент усиления на низких частотах ОУ без обратной связи в пределах 10⁵¸10⁶.

 

 

Рисунок 4.4 -  Классификация операционных усилителей

 

Выходной каскад эмиттерного повторителя имеет выходное сопротивление, позволяющее усилителю работать на достаточно низкоомную нагрузку. Этот каскад имеет двухтактную конфигурацию, так что ОУ может работать либо как источник, либо как потребитель выходного тока.

 

 

 

 

 

Рисунок 4.5 - Обобщенная структурная схема ОУ

 

Все каскады ОУ непосредственно связаны друг с другом, т.е. в схеме отсутствуют межкаскадные или другие «обходные» емкости. Для устойчивой работы в режиме с обратной связью необходимо свести к минимуму общий фазовый сдвиг.  ОУ без обратной связи. Поскольку каждый каскад усиления вносит дополнительный фазовый сдвиг, необходимо минимизировать число каскадов усиления при сохранении большого коэффициента усиления по напряжению всего усилителя (без обратной связи). Первые интегральные ОУ имели три каскада усиления, в настоящее время почти все ОУ имеют только два каскада, поэтому для получения общего большого коэффициента усиления без обратной связи (10⁵¸10⁶) каждый каскад должен иметь очень большой коэффициент усиления.

ОУ на полевых транзисторах являются исключением из общего правила двухкаскадных усилителей. Полевые транзисторы используются либо только во входных каскадах, либо во всей схеме ОУ. Преимуществами таких ОУ являются очень высокое входное сопротивление и очень низкие входные токи. Однако из-за очень малой передаточной проводимости полевых транзисторов и, следовательно, коэффициента усиления по сравнению с биполярными транзисторами некоторые ОУ на полевых транзисторах имеют три каскада усиления.

В тех случаях, когда требуются предельно малые значения напряжения смещения и его температурный дрейф, проектируют ОУ с преобразованием сигнала.

Еще одним способом построения прецизионных усилителей с малым напряжением смещения является периодическая компенсация дрейфа.

4.4.1 Основные параметры ОУ  Интегральный ОУ имеет следующие основные параметры:

Коэффициент усиления напряжения K_yU  отношение изменения выходного напряжения к вызвавшему его изменению входного напряжения. В общем случае коэффициент напряжения ОУ, не охваченного обратной связью, равен произведению K_yU всех его каскадов. В настоящее время K_y некоторых усилителей по постоянному току превышает 3^.10⁶. Однако значение его уменьшается с ростом частоты входного сигнала, при этом суммарная АЧХ имеет столько изломов, сколько усилительных каскадов в ОУ. Каждый каскад на высоких частотах вносит фазовый сдвиг, который влияет на устойчивую работу ОУ, охваченного отрицательной обратной связью (ООС). Устойчивой работы усилительных каскадов ОУ добиваются введением частотной коррекции внешних нагрузочных RC цепей. Для стабилизации двухкаскадного усилителя обычно требуется одна цепь, трехкаскадного - две. Многие ОУ последних выпусков не требуют внешних цепей коррекции, так как в их схему уже введены необходимые элементы.

1.       Частота единичного усиления f_I - значение частоты входного сигнала, при котором значение коэффициента усиления напряжения ОУ падает до единицы. Этот параметр определяет максимально реализуемую полосу усиления ОУ. Выходное напряжение на этой частоте ниже, чем для постоянного тока в 30 раз.

2.       Максимальное выходное напряжение U_{ВЫХ макс} максимальное значение выходного напряжения, при котором искажения не превышают заданного значения. В отечественной практике этот измеряется относительно нулевого потенциала как в положительную, так и в отрицательную сторону U_{ВЫХ макс}. В зарубежных каталогах приводят значение максимального диапазона выходных напряжений, который равен 2U_ВЫХ. Выходное напряжение измеряется при определенном сопротивлении нагрузки. При уменьшении сопротивления нагрузки величина U_{ВЫХ макс} уменьшается.

3.       Скорость нарастания выходного напряжения V_Uвых отношение изменения U_ВЫХ от 10 до 90% от своего номинального значения ко времени, за которое произошло это изменение. Параметр характеризует скорость отклика ОУ на ступенчатое изменение сигнала на входе; при измерении ОУ охвачен ООС с общим коэффициентом усиления от 1 до 10.

4.       Напряжение смещения U_СМ значение напряжения, которое необходимо подать на вход ОУ, чтобы на выходе напряжение было равно 0. Операционный усилитель реализуется в виде микросхемы со значительным числом транзисторов, характеристики которых имеют разброс по параметрам, что приводит к появлению постоянного напряжения на выходе в отсутствие сигнала на входе. Параметр U_СМ помогает разработчикам рассчитывать схемы устройств, подбирать номиналы компенсационных резисторов.

5.       Входные токи I_ВХ токи, протекающие через входные контакты ОУ. Эти токи обусловлены базовыми токами входных биполярных транзисторов и токами утечки затворов для ОУ с полевыми транзисторами на входе. Входные токи, проходя через внутреннее сопротивление источника сигнала, создают падение напряжений, которые могут вызывать появление напряжения на выходе в отсутствие сигнала на входе.

6.       Разность входных токов I_ВХ. Входные токи могут отличаться друг от друга на 10 ... 20%. Зная разность входных токов, можно легко подобрать номинал балансировочного резистора. Все параметры ОУ изменяют свое значение, дрейфуют с изменением температуры. Особенно важными дрейфами являются:

7.       Дрейф напряжения смещения U_СМ.

8.       Дрейф разности входных токов I_ВХ.

9.       Максимальное входное напряжение U_ВХ напряжение, прикладываемое между входными выводами ОУ, превышение которого ведет к выходу параметров за установленные границы или к разрушению прибора.

10.        Максимальное синфазное входное напряжение U_{ВХ СФ} наибольшее значение напряжения прикладываемого одновременно к обоим входным выводам ОУ относительно нулевого потенциала, превышение которого нарушает работоспособность прибора.

11.        Коэффициент ослабления синфазного сигнала К_ОССФ отношение коэффициента усиления напряжения, приложенного между входами ОУ, к коэффициенту усиления общего для обоих входов напряжения.

12.        Выходной ток I_ВЫХ максимальное значение выходного тока ОУ, при котором гарантируется работоспособность прибора. Это значение определяет минимальное сопротивление нагрузки. Очень важно при расчете комплексного сопротивления нагрузки учитывать, что при переходных процессах включения (выключения) ОУ значение емкостной или индуктивной составляющей сопротивления нагрузки резко изменяются и при неправильном подборе нагрузки схема может выйти из строя.

Как правило, достичь максимальных значений для всех параметров невозможно. Достижение максимального значения одного параметра часто осуществляется за счет ухудшения другого. Так, увеличение коэффициента усиления по напряжению влечет за собой снижение частотных свойств, и наоборот.

4.5 Идеальный операционный усилитель

Для уяснения принципов действия схем на ОУ и приближенного их анализа оказывается полезным ввести понятие идеального операционного усилителя. Будем называть идеальным операционный усилитель, который имеет следующие свойства:

- бесконечно большой дифференциальный коэффициент усиления по напряжению K_U=DU_вых /D(U₁ - U₂) (у реальных ОУ от 1 тыс. до 100 млн.);

- нулевое напряжение смещения нуля U_см, т.е. при равенстве входных напряжений выходное напряжение равно нулю (у реальных ОУ U_см, приведенное ко входу, находится в пределах от 5 мкВ до 50 мВ);

- нулевые входные токи (у реальных ОУ от сотых долей пА до единиц мкА);

нулевое выходное сопротивление (у реальных маломощных ОУ от десятков Ом до единиц кОм);

- коэффициент усиления синфазного сигнала равен нулю;

- мгновенный отклик на изменение входных сигналов (у реальных ОУ время установления выходного напряжения от единиц наносекунд до сотен микросекунд).

4.5.1 Дифференциальное включение  На рисунке 4.6 приведена схема дифференциального включения ОУ.

 

 

Рисунок 4.6 -  Дифференциальное включение ОУ

 

4.5.2 Инвертирующее включение  При инвертирующем включении неинвертирующий вход ОУ соединяется с общей шиной (см. рисунок 4.7).

 

 

Рисунок 4.7 -   Инвертирующее включение ОУ

 

.

 

Таким образом, выходное напряжение усилителя в инвертирующем включении находится в противофазе по отношению ко входному. Коэффициент усиления входного сигнала по напряжению этой схемы в зависимости от соотношения сопротивлений резисторов может быть как больше, так и меньше единицы.

4.5.3 Неинвертирующее включение  При неинвертирующем включении входной сигнал подается на неинвертирующий вход ОУ, а на инвертирующий вход через делитель на резисторах R₁ и R₂ поступает сигнал с выхода усилителя (см. рисунок 4.8). Здесь коэффициент усиления схемы K найдем, положив в (6) U₂ = 0, R₃ = 0, R₄ бесконечно велико. Получим:

 

.

 

 

Рисунок 4.8 -  Неинвертирующее включение ОУ

Как видно, здесь выходной сигнал синфазен входному. Коэффициент усиления по напряжению не может быть меньше единицы.

В предельном случае, если выход ОУ накоротко соединен с инвертирующим входом, этот коэффициент равен единице. Такие схемы называют неинвертирующими повторителями и изготавливают серийно в виде отдельных ИМС по нескольку усилителей в одном корпусе.

4.6 Внутренняя структура операционных усилителей

Для достаточной устойчивости и выполнения математических операций над сигналами с высокой точностью реальный операционный усилитель должен обладать следующими свойствами:

высоким коэффициентом усиления по напряжению, в том числе и по постоянному;

1)     малым напряжением смещения нуля;

2)     малыми входными токами;

3)     высоким входным и низким выходным сопротивлением;

4)     высоким коэффициентом ослабления синфазной составляющей (КОСС);

5)     амплитудно-частотной характеристикой с наклоном в области высоких частот -20дБ/дек.

Операционный усилитель должен быть усилителем постоянного тока (УПТ) с высоким коэффициентом усиления по напряжению и, следовательно, содержать несколько каскадов усиления напряжения. С ростом числа каскадов усиления напряжения увеличивается опасность нарушения устойчивости ОУ с обратными связями, и усложняются цепи коррекции. Даже усилители с тремя каскадами усиления напряжения имеют сложные схемы включения, и разработчики стараются их не применять. Это вызывает необходимость применения усилительных каскадов с очень высоким коэффициентом усиления по напряжению. Большие трудности проектирования усилителей постоянного тока связаны также со смещением нуля ОУ.

Смещение нуля ОУ проявляется в том, что при входном дифференциальном напряжении, равном нулю, выходное напряжение не равно нулю. Обычно определяют смещение нуля, приведенное ко входу, как такое дифференциальное напряжение, которое нужно приложить ко входу усилителя, чтобы его выходное напряжение было бы равно нулю. Смещение нуля по сути является аддитивной погрешностью выполнения математических действий ОУ над входными сигналами. Смещение нуля может иметь существенные температурный и временной дрейфы. Операционные усилители на дискретных транзисторах имели неудовлетворительное смещение нуля, связанное с неидентичностью транзисторов. Только применение и усовершенствование интегральной технологии, позволившей изготавливать парные транзисторы дифференциального каскада в едином производственном цикле и на расстоянии несколько микрон друг от друга, привело к существенному снижению смещения нуля и дрейфов.

Блок-схема операционного усилителя, в большой мере удовлетворяющего требованиям, предъявляемым к нему, приведена на рисунке 4.5.

Первый каскад определяет важнейшие точностные параметры ОУ, такие, как напряжение смещения нуля, коэффициент ослабления синфазной составляющей, входные токи и входное сопротивление, поэтому он выполняется по схеме дифференциального усилителя (рисунок 4.9).

Коэффициент усиления по дифференциальному напряжению каскада определяется выражением:

,

где r_э - динамическое сопротивление эмиттера транзистора.

Дифференциальное напряжение обычно усиливается таким каскадом не более, чем в 100 раз.

 

 

Рисунок 4.9 -  Схема простейшего дифференциального усилительного каскада

 

Повысить параметры дифференциального усилителя в принципе можно простым увеличением сопротивлений резисторов R_к и R_э, но при этом уменьшится ток покоя транзисторов и, как следствие, ухудшится температурная и временная стабильность усилителя. Эффективный путь улучшения характеристик усилителя состоит в замене линейных резисторов источниками тока, обладающими высоким динамическим сопротивлением при достаточно больших токах. В частности, в качестве динамической нагрузки в цепи коллекторов транзисторов дифференциального усилителя широко используется так называемое токовое зеркало (рисунок 4.10).

Таким образом, выходной ток схемы почти повторяет входной, почему эта схема и называется токовым зеркалом. Использование токовых зеркал в качестве динамической нагрузки дифференциального каскада и в качестве источника тока в цепи эмиттеров позволяет получить коэффициент усиления входного дифференциального напряжения на одном каскаде свыше.

 

 

Рисунок 4.10 -  Схема токового зеркала

 

4.7 Стандартная схема операционного усилителя

Операционные усилители универсального применения должны обеспечивать значительно больший дифференциальный коэффициент усиления, чем способен дать один каскад. Поэтому они строятся в основном по двухкаскадной схеме. Упрощенная схема "классического" двухкаскадного ОУ mА741 (полная схема включает 24 транзистора) приведена на рисунке 4.11.

 

 

Рисунок 4.11 -  Упрощенная схема двухкаскадного ОУ - mА741

 

5 СВЧ – техника

 

Рассматривая в разделе «Электровакуумные приборы» работу усилителей напряжения, мы полагали, что частота электрического сигнала, подаваемая на управляющую сетку, не слишком высока. При этом поток электронов, излучаемых катодом и движущийся к аноду, адекватно управляются входным напряжением. Линейные геометрические размеры радиолампы должны быть много меньше длины волны электрического сигнала. С увеличением частоты усиливаемого сигнала инерционность движения электронов станет препятствием нормальной работы триода. Так, настанет случай, когда потенциал сетки, вызвавший увеличенный поток электронов, при достижении им самой сетки изменится на противоположный знак. Усилитель не станет выполнять возложенные на него функции.

Полупроводниковые приборы в меньшей степени подвержены такой «болезни» из-за своих малых габаритов, но их возможности ограничены.

Для работы со сверхвысокими частотами нужны новые принципы. Такие решения найдены в лампах бегущей волны (ЛБВ), клистронах и магнетронах. Принципы действия таких приборов представлены ниже.

5.1 Лампа бегущей волны

Лампа бегущей волны (ЛБВ) - электровакуумный прибор, в котором для генерирования и/или усиления электромагнитных колебаний СВЧ используется взаимодействие бегущей электромагнитной волны и электронного потока, движущихся в одном направлении. Основное назначение ЛБВ - усиление колебаний СВЧ (300 МГц ¸ 300 ГГц) в приёмных и передающих устройствах. ЛБВ используются также для преобразования, умножения частоты и других целей.

Лампы бегущей волны подразделяются на два класса: ЛБВ типа О и ЛБВ типа М.

В приборах типа О происходит преобразование кинетической энергии электронов в энергию СВЧ поля в результате торможения электронов этим полем. Магнитное поле в таких лампах направлено вдоль направления распространения пучка электронов и служит лишь для его фокусировки.

В приборах типа М в энергию СВЧ поля переходит потенциальная энергия электронов, смещающихся в результате многократного торможения и разгона от катода к аноду. Средняя кинетическая энергия при этом остается постоянной. Магнитное поле в таких приборах направлено перпендикулярно направлению распространения пучка.

5.1.1 ЛБВ типа О  Принцип действия ламп бегущей волны (ЛБВ) основан на механизме длительного взаимодействия электронного потока с полем бегущей электромагнитной волны.

 

 

     

 

 

 

 

 

Рисунок 5.1 - Устройство ЛБВ типа О

 

На рисунке 5.1 схематично представлено устройство ЛБВ. Электронная пушка формирует электронный пучок с определенным сечением и интенсивностью. Скорость электронов определяется ускоряющим напряжением. С помощью фокусирующей системы, создающей продольное магнитное поле, обеспечивается необходимое поперечное сечение пучка на всем пути вдоль замедляющей системы. В ЛБВ электронная пушка, спиральная замедляющая система и коллектор размещаются в металлостеклянном или металлическом баллоне, а фокусирующий соленоид располагается снаружи. Спираль крепится между диэлектрическими стержнями, которые должны обладать малыми потерями на СВЧ и хорошей теплопроводностью. Последнее требование важно для ламп средней и большой выходной мощности, когда спираль нагревается из-за оседания электронов и нужно отводить это тепло, чтобы не было прогорания спирали.

На входе и выходе замедляющей системы есть специальные устройства для согласования её с линиями передачи, которые могут быть либо волноводными, либо коаксиальными. На вход поступает СВЧ сигнал, который усиливается в приборе и с выхода передается в нагрузку.

Трудно получить хорошее согласование во всей полосе усиления лампы. Поэтому есть опасность возникновения внутренней обратной связи из-за отражения электромагнитной волны на концах замедляющей системы, при этом ЛБВ может перестать выполнять свои функции усилителя. Для устранения самовозбуждения вводится поглотитель, который может быть выполнен в виде стержня из поглощающей керамики или в виде поглощающих плёнок.

Параметр усиления - безразмерный коэффициент:

где R_CB - сопротивление связи;

I₀ - ток катода и

U₀ - потенциал последнего анода электронной пушки ЛБВ.

Значения С составляют ~ 0,1 ¸ 0,01.

Коэффициент усиления ЛБВ в линейном режиме прямо пропорционален параметру C. Реально достижимое значение коэффициента усиления ЛБВО средней и большой мощности составляет 25-40 дБ. В маломощных ЛБВО коэффициент усиления может достигать 60 дБ.

Особенно ценным свойством ЛБВ является их широкополосность. Коэффициент усиления ЛБВ при неизменном ускоряющем напряжении может оставаться почти неизменным в широкой полосе частот - порядка 20 ¸50 % от средней частоты. В этом отношении ЛБВ значительно превосходят усилительные клистроны, о которых будет сказано ниже и которые могут обеспечивать весьма высокое усиление, но имеют значительно более узкую полосу частот.

В зависимости от назначения ЛБВ выпускаются на выходные мощности от долей мВт (входные маломощные и малошумящие ЛБВ в усилителях СВЧ) до десятков кВт (выходные мощные ЛБВ в передающих устройствах СВЧ) в непрерывном режиме и до нескольких МВт в импульсном режиме работы.

В ЛБВО малой и средней мощности применяют спиральные замедляющие системы, в мощных ЛБВО - цепочки связанных резонаторов. Электроны, пролетая сквозь замедляющую систему, отдают часть своей кинетической энергии СВЧ полю, что приводит к уменьшению скорости электронов. Но при этом нарушается условие фазового синхронизма V_e ≅ V_ф. Отсюда вытекает основное ограничение КПД ЛБВО, связанное с невозможностью отдачи всей кинетической энергии электронов СВЧ полю: электронные сгустки смещаются из области тормозящего поля в область ускоряющего.

Нижний предел скорости электронов определяется фазовой скоростью замедленной волны. Поэтому величина КПД должна быть тем больше, чем значительнее превышение начальной скорости электронов над фазовой скоростью волны в замедляющей системе. Однако при увеличении рассинхронизма ухудшается группирование на входном участке замедляющей системы и резко уменьшается коэффициент усиления. Таким образом, требования максимального КПД и высокого коэффициента усиления в ЛБВО оказываются противоречивыми. Реальная величина КПД у ЛБВО составляет 30¸40 %.

Маломощные ЛБВО применяются во входных усилителях, средней мощности - в промежуточных усилителях, большой — в выходных усилителях мощности СВЧ колебаний.

 

      5.1.2 ЛБВ типа М  В ЛБВ типа М, в отличие от ЛБВО, существуют две существенные особенности:

Наиболее благоприятное взаимодействие электронов с бегущей волной и передача энергии от электронов к полю происходят при точном равенстве средней скорости электронов и фазовой скорости волны (V_e = V_ф). Напротив, для передачи энергии от электронов к полю в ЛБВ типа О требуется, чтобы электроны двигались чуть быстрее.

В ЛБВО электроны отдают полю только избыточную кинетическую энергию, соответствующую разности скоростей электронов и волны. КПД ограничен допустимой разностью этих скоростей. Энергия, передаваемая полю, берется от источника ускоряющего напряжения U₀. В ЛБВМ же кинетическая энергия электронов не меняется, а полю передается потенциальная энергия электронов.

 

 

Рисунок 5.2 - Схема ЛБВ типа М с инжектированным потоком

 

Лампа имеет две основные части: инжектирующее устройство и пространство взаимодействия.

Инжектирующее устройство, состоящее из подогреваемого катода и управляющего электрода, обеспечивает создание ленточного электронного потока и ввод его в пространство взаимодействия.

Пространство взаимодействия, состоящее из волноводного входа, поглотителя, замедляющей системы-анода, волноводного выхода, коллектора и холодного катода, обеспечивает взаимодействие электронов с СВЧ полем. Для создания такого взаимодействия необходимо выполнение условия

V₀ = E₀ /B

где V₀ - начальная скорость потока на входе в пространство взаимодействия;

E₀ /B - скорость поступательного движения в скрещённых электрическом (E₀) и магнитном полях (B).

При выполнении данного условия электроны, в отсутствие СВЧ поля, прямолинейно движутся к коллектору. Поскольку начальная скорость потока определяется соотношением

V₀ = E_control /B,

то описанное выше условие сводится к

E₀ = 2E_control.

Параметры прибора выбирают таким образом, чтобы при появлении на входе замедляющей системы СВЧ сигнала на одной из его пространственных гармоник выполнялось условие фазового синхронизма приборов типа М (V₀ = V_ф). В этом случае в тормозящих полупериодах электрического поля этой гармоники будет происходить увеличение энергии СВЧ сигнала за счет уменьшения потенциальной энергии электронов. Усиленный СВЧ сигнал поступает на выход замедляющей системы, а электроны оседают на коллекторе.

Лампа бегущей волны типа М также,  как и лампа бегущей волны типа О, является широкополосным усилителем, и поэтому в ней возможно самовозбуждение за счет отражения усиливаемого сигнала от выхода замедляющей системы. Для предотвращения самовозбуждения применяется поглотитель.

При малых уровнях входного сигнала амплитуда колебаний на выходе ЛБВМ и величина коэффициента усиления возрастают величине входного сигнала. Связь соблюдается до тех пор, пока электроны не начнут попадать вместо коллектора на анод замедляющей системы. В этом случае замедляется рост выходной мощности, и коэффициент усиления ЛБВМ уменьшается.

Коэффициент усиления в реальных лампах бегущей волны типа М достигает 40 дБ и более.

Полоса рабочих частот в усилителях на ЛБВМ достигает 30 % от средней рабочей частоты и определяется дисперсионной характеристикой замедляющей системы.

Выходная мощность ЛБВМ в непрерывном режиме достигает нескольких киловатт, в импульсном - нескольких мегаватт.

КПД усилителя на ЛБВМ можно оценить исходя из того, что максимальная потенциальная энергия, которую электрон может передать СВЧ полю

E_pot = eU₀.

Кинетическая энергия электрона, которая не отдается СВЧ полю:

.

В реальных приборах его величина КПД не превышает 60 %.

5.2 Клистрон

Клистрон (от греч. klyzo - ударяю и (элек)трон), электронный прибор для усиления и генерирования колебаний СВЧ, в котором поток электронов движется с контролируемой скоростью. Существуют прямопролётные клистроны (двух- и многорезонаторные) и отражательные клистроны; сверхминиатюрные отражательные  клистроны  называются минитронами. Используется в радио- и микроволновых схемах, работающих на УВЧ, таких как радиолокационные передатчики, работающие на частотах до 400 ГГц.

Клистрон - электровакуумный прибор, в котором преобразование постоянного потока электронов в переменный происходит путём модуляции скоростей электронов электрическим полем СВЧ (при пролёте их сквозь зазор объёмного резонатора) и последующей группировке электронов в сгустки (из-за разности их скоростей) в пространстве дрейфа, свободном от СВЧ поля.

Клистроны подразделяются на 2 класса: пролётные и отражательные.

В пролётном клистроне электроны последовательно пролетают сквозь зазоры объёмных резонаторов. В простейшем случае резонаторов 2: входной и выходной. Дальнейшим развитием пролётных клистронов являются каскадные многорезонаторные клистроны, которые имеют один или несколько промежуточных резонаторов, расположенных между входным и выходным резонаторами.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 5.3 - Клистрон в Космическом исследовательском центре в Канберре

В отражательном клистроне используется один резонатор, через который электронный поток проходит дважды, отражаясь от специального электрода - отражателя.

         5.2.1 Пролётные клистроны  В пролётном клистроне имеются два объёмных резонатора с ёмкостными сеточными зазорами.

                      

 

 

 

                                      

 

 

Рисунок 5.4 - Устройство пролётного клистрона

Первый резонатор называют входным, или модулятором; второй - выходным. Пространство между ними называют пространством дрейфа или группирования. Электроны, эмитируемые катодом, ускоряются постоянным напряжением U₀ второго электрода и попадают в узкий сеточный зазор первого резонатора, в котором имеется продольное СВЧ поле. Это поле периодически ускоряет и замедляет электроны, модулируя электронный поток по скорости. Двигаясь далее в пространстве дрейфа, электроны постепенно образуют сгустки за счёт того, что быстрые электроны догоняют медленные. Этот модулированный по плотности электронный поток попадает во второй резонатор и создает в нем наведенный ток той же частоты, что и частота входного модулирующего поля. В результате между сетками резонатора появляется высокочастотное электрическое поле, которое начинает взаимодействовать с потоком электронов. Необходимые параметры клистрона подбираются таким образом, чтобы электрическое поле второго резонатора тормозило сгустки электронной плотности и ускоряло её разряжения. В результате в среднем за период одного колебания поля тормозится большее число электронов, чем ускоряется. Кинетическая энергия электронов преобразуется в энергию СВЧ колебаний электромагнитного поля второго резонатора, а электроны, пройдя резонатор, оседают на коллекторе, рассеивая оставшуюся часть кинетической энергии в виде тепла.

Под КПД клистрона обычно понимается электронный кпд η_el:

                                                              ,

то есть отношение мощности P_2n, отданной электронным потоком СВЧ полю в выходном резонаторе на n-ой гармонике, к подведённой мощности P₀.

Решая задачу о наведении мощности в нагрузке выходного резонатора из общих принципов наведения тока электронным потоком, можно получить, что максимум P_2n, а значит и максимум КПД определяется максимумом функции Бесселя:

                                                

где J_n - функция Бесселя первого рода n-го порядка;

n - номер гармоники;

X - так называемый параметр группировки.

В таблице 5.1 представлены максимальный электронный КПД двухрезонаторного клистрона и оптимальная величина параметра группировки для различных гармоник.

Т а б л и ц а  5.1  - Характеристики клистрона

n	helmax, %	Xmax
1	58,2	1,84
2	48,7	1,53
3	43,4	1,40
8	32,0	1,22
16	26,0	1,13

 

Если уменьшать параметр X, например, уменьшая амплитуду входного сигнала, или увеличивая амплитуду ускоряющего напряжения, то электронный поток окажется недогруппированным. КПД и выходная мощность при этом падают. Тоже происходит и в перегруппированном потоке.

Реальный КПД пролётного двухрезонаторного клистрона, учитывающий потери в колебательной системе, на сетках резонаторов и другие факторы, гораздо меньше и не превышает 20 %.

5.2.2 Многорезонаторный клистрон  В многорезонаторных клистронах между входным и выходным резонаторами помещают дополнительные ненагруженные резонаторы. В качестве примера, поясняющего особенности их работы, достаточно рассмотреть пролётный трёхрезонаторный клистрон.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 5.5 - Устройство многорезонаторного клистрона

 

Предположим, что промежуточный резонатор точно настроен на частоту входного сигнала. Как и в двухрезонаторном клистроне, во входном резонаторе электроны модулируются по скорости и далее группируются в первом пространстве дрейфа. Если на вход поступает слабый входной сигнал, то и модуляция электронного потока будет незначительной. При этом величина наведенного тока во втором резонаторе также будет малой. Однако, поскольку ненагруженный промежуточный резонатор является высокодобротной системой, то даже при малой амплитуде конвекционного тока напряжение, создаваемое на его сетках, будет большим. Этому в значительной мере благоприятствует то обстоятельство, что второй резонатор не связан с внешней нагрузкой. Суммарная активная проводимость второго резонатора определяется только потерями в самом резонаторе и электронной нагрузкой затвора.

В установившемся режиме ток и напряжение во втором резонаторе имеют ту же частоту, что и частота входного сигнала. Напряжение, наведенное на втором резонаторе, вызывает сильную модуляцию скорости электронов и сильную группировку электронного потока во втором пространстве дрейфа. В результате распределение электронов в сгустках их плотности будет определяться вторым резонатором и зависимость конвекционного тока в третьем резонаторе будет примерно такой же, как в двухрезонаторном клистроне, образованном вторым и третьим резонаторами, но при модулирующем напряжении гораздо большим, чем модулирующее напряжение первого резонатора. При этом коэффициент усиления значительно увеличится, так как группирование электронов осуществляется при значительно меньшей амплитуде входного сигнала, подводимого к первому резонатору. Аналогичные процессы протекают в каждом промежуточном резонаторе многорезонаторного клистрона.

С физической точки зрения повышение коэффициента усиления многорезонаторного клистрона достигается не за счёт увеличения КПД и выходной мощности, а за счёт снижения мощности сигнала, необходимой на входе усилителя для управления электронным потоком.

В рассматриваемом выше идеальном случае (когда второй резонатор точно настроен на частоту входного сигнала) максимальная выходная мощность и электронный КПД остаются такими же, как и в двухрезонаторном клистроне, то есть предельное значение КПД составляет 58 %, поскольку остается таким же максимальное значение амплитуды первой гармоники конвекционного тока в последнем резонаторе.

Для увеличения КПД в многорезонаторных клистронах производится расстройка промежуточных резонаторов, где велико напряжение, создаваемое наведенным током (обычно это предпоследний резонатор). В то же время уменьшение выходной мощности и коэффициента усиления клистрона, возникающее при расстройке резонаторов, компенсируется увеличением количества резонаторов. (Коэффициент усиления примерно равен 15 + 20(N − 2) дБ, где N — число резонаторов.) Теоретические расчеты показывают, что в этом случае электронный КПД можно увеличить до 75 % и расширить полосу рабочих частот до нескольких процентов. На практике обычно применяют четырех-шестирезонаторные клистроны.

5.2.3 Отражательный клистрон  Отражательные клистроны являются самым массовым типом приборов СВЧ. Они выпускаются для работы в дециметровом, сантиметровом и миллиметровом диапазонах волн, имеют выходную мощность от 5 мВт до 5 Вт.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 5.6 - Устройство отражательного клистрона

 

Диапазон механической перестройки частоты до 10% (у клистрона со съёмной частью ОР - несколько десятков процентов), диапазон электронной настройки обычно менее 1%, кпд около 1%. Отражательные клистроны применяются в качестве гетеродина супергетеродинного радиоприёмника, как задающий генератор радиопередатчиков, как генератор малой мощности в радиолокации, радионавигации, измерительной технике и т.д.

Отражательные клистроны предназначены для генерирования СВЧ колебаний малой мощности.

Отражательный клистрон имеет один резонатор, дважды пронизываемый электронным потоком. Возвращение электронов осуществляется с помощью отражателя, находящегося под отрицательным постоянным потенциалом по отношению к катоду. Таким образом, резонатор играет роль группирователя при первом прохождении электронов и роль выходного контура при втором прохождении. Промежуток между резонатором и отражателем играет роль пространства дрейфа, где модуляция электронного потока по скорости переходит в модуляцию по плотности.

Для того чтобы клистрон мог генерировать СВЧ колебания необходимо, чтобы сгустки электронного потока, сформированные при первом прохождении сквозь резонатор, проходили через резонатор при обратном движении в те моменты, когда в нём имеется тормозящее высокочастотное электрическое поле.

Электронный КПД отражательных клистронов ниже, чем у пролётных клистронов, и его реально достижимое значение не превышает нескольких процентов.

В пределах каждой зоны генерации возможна электронная перестройка частоты. На практике её осуществляют изменением напряжения на отражателе, так как ток в цепи отражателя равен нулю и управление частотой генерации происходит без затрат мощности.

Диапазон электронной перестройки частоты у отражательных клистронов обычно не превышает 0,5 % от среднего значения частоты.

Также возможна механическая перестройка частоты. Она осуществляется путём изменения добротности резонатора. Различают два вида механической перестройки: индуктивную и ёмкостную. Первая осуществляется посредством настроечных винтов и поршней. Вторая имеет место, когда вторая сетка резонатора посажена на упругую мембрану, воздействуя на которую, можно изменять зазор между сетками резонатора. Диапазон механической перестройки составляет примерно 25% от средней частоты, что значительно больше диапазона электронной перестройки. Но при этом скорость перестройки невелика.

Отражательные клистроны применяются в различной аппаратуре в качестве маломощных генераторов. Вследствие низкого КПД их не используют для получения больших мощностей и применяют в качестве гетеродинов СВЧ приемников, в измерительной аппаратуре и в маломощных передатчиках. Их основные преимущества заключаются в конструктивной простоте и наличии электронной перестройки частоты. Отражательные клистроны имеют высокую надежность и не требуют применения фокусирующей системы.

В настоящее время генераторы на отражательных клистронах вытесняются полупроводниковыми генераторами СВЧ.

5.3 Магнетрон

Магнетро́н (от греч. μαγνήτης — магнит и электрон) — электровакуумный прибор для генерации радиоволн сверхвысокой частоты (СВЧ, микроволн), в котором взаимодействие электронов с электрической составляющей поля СВЧ происходит в пространстве, где постоянное магнитное поле перпендикулярно постоянному электрическому полю. Наиболее известным применением магнетронов являются бытовые микроволновые печи.

Магнетроны могут работать на различных частотах от 0,5 до 100 ГГц, с мощностями от нескольких Вт до десятков кВт в непрерывном режиме и от 10 Вт до 5 МВт в импульсном режиме при длительностях импульсов главным образом от долей до десятков микросекунд.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                 

Рисунок 5.7 - Магнетрон в корпусе

 

Магнетроны обладают высоким КПД (до 80 %),

Магнетроны бывают как неперестраиваемые, так и перестраиваемые в небольшом диапазоне частот (обычно менее 10 %). Для медленной перестройки частоты применяются механизмы, приводимые в движение рукой, для быстрой (до нескольких тысяч перестроек в сек) - ротационные и вибрационные механизмы.

Магнетрон состоит из анодного блока, который представляет собой, как правило, металлический толстостенный цилиндр с прорезанными в стенках полостями, выполняющих роль объёмных резонаторов. Резонаторы образуют кольцевую колебательную систему.

По оси анодного блока закрепляется цилиндрический катод. Внутри катода закреплён подогреватель. Магнитное поле, параллельное оси прибора, создаётся внешними магнитами или электромагнитом.

Для вывода СВЧ энергии используется, как правило, проволочная петля, закреплённая в одном из резонаторов, или отверстие из резонатора наружу цилиндра.

Резонаторы магнетрона представляют собой замедляющую систему, в них происходит взаимодействие пучка электронов и электромагнитной волны. Поскольку эта система в результате кольцевой конструкции замкнута сама на себя, то её можно возбудить лишь на определённых видах колебаний, из которых важное значение имеет π-вид. Этот вид колебаний назван так потому, что напряжения СВЧ на двух соседних резонаторах сдвинуты по фазе на π.

Для стабильной работы магнетрона (во избежание перескоков во время работы на другие виды колебаний, сопровождающихся изменениями частоты и выходной мощности) необходимо, чтобы ближайшая резонансная частота колебательной системы значительно отличалась от рабочей частоты (примерно на 10 %). Так как в магнетроне с одинаковыми резонаторами разность этих частот получается недостаточной, её увеличивают либо введением связок в виде металлических колец, одно из которых соединяет все чётные, а другое все нечётные ламели анодного блока, либо применением разнорезонаторной колебательной системы (чётные резонаторы имеют один размер, нечётные - другой).

Отдельные модели магнетронов могут иметь различную конструкцию. Так, резонаторная система выполняется в виде резонаторов нескольких типов: щель-отверстие, лопаточных, щелевых и т. д.

Принцип работы магнетрона заключается в следующем. Электроны эмитируются из катода в пространство взаимодействия, где на них воздействует постоянное электрическое поле анод-катод, постоянное магнитное поле и поле электромагнитной волны. Если бы не было поля электромагнитной волны, электроны бы двигались в скрещенных электрическом и магнитном полях по сравнительно простым кривым: эпициклоидам (кривая, которую описывает точка на круге, катящемся по наружной поверхности окружности большего диаметра - в конкретном случае по наружной поверхности катода). При достаточно высоком магнитном поле (параллельном оси магнетрона) электрон, движущийся по этой кривой, не может достичь анода (по причине действия на него со стороны этого магнитного поля силы Лоренца), при этом говорят, что произошло магнитное запирание диода. В режиме магнитного запирания некоторая часть электронов движется по эпициклоидам в пространстве анод-катод. Под действием собственного поля электронов, а также статистических эффектов (дробовой шум) в этом электронном облаке возникают неустойчивости, которые приводят к генерации электромагнитных колебаний, эти колебания усиливаются резонаторами. Электрическое поле возникшей электромагнитной волны может замедлять или ускорять электроны. Если электрон ускоряется полем волны, то радиус его циклотронного движения уменьшается, и он отклоняется в направлении катода. При этом энергия передаётся от волны к электрону. Если же электрон тормозится полем волны, то его энергия передаётся волне, при этом циклотронный радиус электрона увеличивается, и он получает возможность достигнуть анода. Поскольку электрическое поле анод-катод совершает положительную работу только, если электрон достигает анода, энергия всегда передаётся в основном от электронов к электромагнитной волне. Однако, если скорость вращения электронов вокруг катода не будет совпадать с фазовой скоростью электромагнитной волны, один и тот же электрон будет попеременно ускоряться и тормозиться волной, в результате эффективность передачи энергии волне будет небольшой. Если средняя скорость вращения электрона вокруг анода совпадает с фазовой скоростью волны, электрон может находится непрерывно в тормозящей области, при этом передача энергии от электрона к волне наиболее эффективна. Такие электроны группируются в сгустки (так называемые «спицы»), вращающиеся вместе с полем. Многократное, в течение ряда периодов, взаимодействие электронов с ВЧ-полем и фазовая фокусировка в магнетроне обеспечивают высокий коэффициент полезного действия и возможность получения больших мощностей.

Магнетроны используются во многих технических устройствах.

В радарных устройствах волновод подсоединён к антенне, которая может представлять собой как щелевой волновод, так и конический рупорный облучатель в паре с параболическим отражателем (так называемая «тарелка»). Магнетрон управляется короткими высокоинтенсивными импульсами подаваемого напряжения, в результате чего излучается короткий импульс микроволновой энергии. Небольшая порция этой энергии отражается обратно антенне и волноводу, где она направляется к чувствительному приёмнику.

Список литературы

 

1. Асеев Б.П. Колебательные цепи. - М.: Гос. Изд-во литературы по вопросам связи и радио, 1955. - 462 с.

2. Баскаков С.И. радиотехнические цепи и сигналы. Учебник для вузов. – М.: Высшая школа, 2005. - 462 с.

3. Гайдук В. И., Палатов К. И., Петров Д. М. Физические основы электроники сверхвысоких частот. –М.: Совет. радио, 1971. - 600 с.

4. Гольденберг А.М. Импульсные устройства. - М.: Радио и связь, 1981. - 221 с.

5. Гоноровский И.С., Демин М.П. Радиотехнические цепи и сигналы: Учеб. для вузов. –М.: Радио и связь, 1994. - 481 с.

6. Жуков Б. С., Перегонов С. А. Лампы бегущей волны. - М.: Совет. радио, 1967. - 95 с.

7. Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ. - М.: Сов. радио, 1972. – 365 с.

8. Марше Ж. Операционные усилители и их применение. Пер. с франц. –Л.: Энергия, 1974. - 216 с.

9. Нефедов В.И. Основы радиоэлектроники и связи. Учеб. для вузов –М.: Высш. шк., 2002.

10. Пчельников Ю.Н., Свиридов В.Т. Электроника сверхвысоких частот. –М.: Радио и связь, 1981. - 96 с.

11. Операционные усилители и компараторы / Авербух В.Д. и др. –М.: Издательский дом «Додэка-XXI», 2001. – 560 с.

12. Хотунцев Ю.Л., Лобарев А.С.  Основы радиоэлектроники. –М.: Агар, 2000. – 288 с.