Усилитель с двойной настройкой

Усилитель с двойной настройкой — это настроенный усилитель с трансформаторной связью между каскадами усилителя, в котором индуктивности первичной и вторичной обмоток настраиваются отдельно с помощью конденсатора на каждой. Схема приводит к более широкой полосе пропускания и более крутым юбкам , чем можно было бы достичь с помощью одной настроенной схемы .

Существует критическое значение коэффициента связи трансформатора , при котором АЧХ усилителя максимально ровная в полосе пропускания и коэффициент усиления максимален на резонансной частоте . В конструкциях часто используется более высокая связь (избыточная связь), чтобы добиться еще более широкой полосы пропускания за счет небольшой потери усиления в центре полосы пропускания.

Каскадирование нескольких каскадов усилителей с двойной настройкой приводит к уменьшению полосы пропускания всего усилителя. Два каскада усилителя с двойной настройкой имеют 80% полосы пропускания одного каскада. Альтернативой двойной настройке, позволяющей избежать потери полосы пропускания, является ступенчатая настройка . Усилители с шахматной настройкой могут быть рассчитаны на заданную полосу пропускания, превышающую полосу пропускания любого отдельного каскада. Однако шахматная настройка требует большего количества ступеней и имеет меньший коэффициент усиления, чем двойная настройка.

Типовая схема

Показанная схема состоит из двух каскадов усилителя с топологией с общим эмиттером . Все резисторы смещения выполняют свои обычные функции. Вход первого каскада соединен обычным способом с последовательным конденсатором, чтобы избежать влияния на смещение. Однако коллекторная нагрузка состоит из трансформатора , который служит межкаскадной связью вместо конденсаторов. Обмотки трансформатора обладают индуктивностью . Конденсаторы, расположенные поперек обмоток трансформатора, образуют резонансные контуры , обеспечивающие настройку усилителя.

Еще одна деталь, которую можно увидеть в усилителе этого типа, — это наличие отводов на обмотках трансформатора. Они используются для входных и выходных соединений трансформатора, а не в верхней части обмоток. Это делается для согласования импеданса целей ; Усилители на биполярных транзисторах (тот, что показан на схеме) имеют довольно высокий выходной импеданс и довольно низкий входной импеданс. Этой проблемы можно избежать, используя МОП-транзисторы с очень высоким входным сопротивлением. ^[1]

Конденсаторы, подключенные между нижней частью вторичной обмотки трансформатора и землей, не участвуют в настройке. Скорее, их цель состоит в том, чтобы отсоединить смещения транзистора резисторы от цепи переменного тока .

Характеристики

Двойная настройка, по сравнению с одинарной, приводит к расширению полосы пропускания усилителя и увеличению крутизны характеристики . ^[2] Настройка обеих сторон трансформатора образует пару связанных резонаторов , что является источником увеличенной полосы пропускания. Коэффициент усиления усилителя является функцией коэффициента связи k и , который связан с индуктивностью M и индуктивностями первичной и вторичной обмоток L p соответственно _L s взаимной _{следующим} образом:

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

Существует критическое значение связи, при котором коэффициент усиления усилителя максимален при резонансе. Ниже этого критического значения имеется один пик в частотной характеристике, амплитуда которого достигает максимума при резонансе, а пик уменьшается по мере уменьшения k . О таком отклике говорят, что он недостаточно связан. При значениях k, превышающих критическую связь, отклик начинает расщепляться на два пика. Эти пики становятся уже и дальше друг от друга по мере увеличения k , а разрыв между ними (в центре резонансной частоты) становится все глубже. Такой ответ называется сверхсвязанным. ^[3]

характеристику Критически связанный усилитель имеет максимально плоскую . Такого отклика можно также добиться без трансформаторов с помощью двух каскадов усилителя с шахматной настройкой . В отличие от шахматной настройки, двойная настройка обычно настраивает оба резонатора на одну и ту же резонансную частоту . ^[4] Однако разработчик может принять решение спроектировать усилитель со сверхсвязью, чтобы добиться более широкой полосы пропускания за счет небольшого провала (обычно 3 дБ для максимизации полосы пропускания 3 дБ ) в центре частотной характеристики. ^[5]

Как и синхронная настройка , добавление дополнительных каскадов усилителей с двойной настройкой приводит к уменьшению полосы пропускания. Полоса идентичных ступеней по уровню 3 дБ пропускания n как часть полосы пропускания одной ступени приблизительно определяется выражением:

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

Это выражение применимо только к небольшой дробной полосе пропускания. ^[6]

Анализ

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

где (без суффиксов номеров стадий),

g _m — крутизна усилителей

G _o – выходная проводимость усилителей

G _i — входная проводимость усилителей.

Обычно в конструкции резонансные частоты и добротности на первичной и вторичной сторонах одинаковы, так что

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

и,

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

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

Усиление этапа

С учетом вышеизложенных допущений коэффициент усиления по напряжению $A$ одного каскада усилителя можно выразить как

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

где

\ i\

это мнимая единица

\left(\ i^{2}\equiv -1\ \right),

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

- это максимальный коэффициент усиления, который может обеспечить каскад, и

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

- частота, выраженная как дробное отклонение частоты от резонансной частоты.

Пиковая частота

При связи менее критической имеется один пик отклика, возникающий при резонансе. Выше критической связи имеются два пика на частотах, определяемых формулой

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

где δ _L и δ _H — соответственно низкие и высокие частоты пиков, выраженные как дробное отклонение.

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

Критическая связь

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

k^{2}Q^{2}-1=0

или

k={1 \over Q}

^[7]

Ссылки

^ Бхаргава и др. , стр. 382–383
^ Гулати, с. 432
^
- Бакши и Годзе, с. 5.25
- Чаттопадхай, с. 195-196
^ Чаттопадхьяй, с. 196
^ Бакши и Годзе, с. 5.26
^ Бакши и Годзе, с. 5.29
^ Бакши и Годзе, стр. 5.20–5.26 (весь раздел анализа)

Библиография

Бакши, Удай А.; Годзе, Атул П., Анализ электронных цепей , Технические публикации, 2009 г. ISBN 8184310471 .
Бхаргава, штат Нью-Йорк; Гупта, Южная Каролина; Кулшрешта, округ Колумбия, Базовая электроника и линейные схемы , Тата МакГроу-Хилл, 1984 г. ISBN 0074519654 .
Чаттопадхай, Д., Электроника: основы и приложения , New Age International, 2006 г. ISBN 8122417809 .
Гулати, Р.Р., Монохромное и цветное телевидение , New Age International, 2007 г. ISBN 8122416071 .

[1] Бхаргава и др. , стр. 382–383

[2] Гулати, с. 432

[3] 
Бакши и Годзе, с. 5.25
Чаттопадхай, с. 195-196

[4] Бакши и Годзе, с. 5.25

[5] Чаттопадхай, с. 195-196

[4] Чаттопадхьяй, с. 196

[5] Бакши и Годзе, с. 5.26

[6] Бакши и Годзе, с. 5.29

[7] Бакши и Годзе, стр. 5.20–5.26 (весь раздел анализа)

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]