Амплитудная характеристика и нелинейные эффекты резонансного усилителя.

Резонансный усилитель.

Резонансный усилитель – это такой усилитель, у которого в цепи обратной усилительного элемента включен колебательный контур.

Резонансный усилитель усиливает сигнал в узкой полосе частот, определяемой в основном полосой пропускания колебательного контура.

Резонансные усилители применяются в электрических трактах радиоприемных и радиопередающих устройств, в оконечных остатках мощных генераторов.

,

Амплитудная характеристика усилителя строится на резонансной частоте колебательного контура.

Рис.2

Полоса пропускания этого усилителя определяется полосой полосой пропускания колебательного контура.

Рис.3

Аналогично операционному резонансный усилитель характеризуется коэффициентом усиления:

На линейном участке к не меняется.

Рис.4

При подаче на вход резонансного усилителя большого по амплитуде сигнала U_вх >>U_{вх max} в резонансном усилителе возникают нелинейные эффекты, которые приводят к изменению амплитудно-частотной характеристики резонансного усилителя.

Экспериментально было установлено, что ВАХ электронного усилителя i_к=F(U_вх) хорошо апроксимируется полиномом третьей степени:

,

где y, , - проводимость и ее производные.

Пусть входное напряжение изменяется по гармоническому закону:

После преобразований:

Из последнего выражения следует, что помимо составляющей с частотой ω выходном токе усилительного элемента появляются частоты 2ω и 3ω. Этот нелинейный эффект называется генерацией гармоник. Т.е. спектральный состав выходного тока обогащается.

Зарисуем АЧХ резонансного усилителя, который работает при большом входном сигнале.

U_вых

Рис.5

АЧХ резонансного усилителя, работающего при больших входных сигналах, представленная на рис.5, показывает, что при подаче на вход резонансного усилителя частот ω₀/3, ω₀/2 на выходе усилителя будем наблюдать сигнал с частотой ω₀, т.е. происходит умножение частоты.

Лекция 6.

Тема: Автогенераторы. Автогенератор как усилитель с положительной обрат­ной связью. Условия самовозбуждения баланс фаз и амплитуд. Амплитуда ус­тановившихся колебаний. Спектральный состав и форма установившихся коле­баний в узкополосных и широкополосных автогенераторах.

Принципиальные схемы узкополосных с колебательным контуром и RC цепями) и широкополосных (блокинг-генератор, мультивибратор) автогенера­торов. Методы стабилизации частоты автогенераторов.

Электронные генераторы гармонических сигналов нашли широкое применение в радиоприемных и радиопередающих устройствах, установках для высокочастотного нагрева металлов, сушке древесины и многих других устройствах.

Электронные генераторы классифицируются по ряду признаков, основными из которых являются: частота, способ возбуждения колебаний.

В зависимости от частоты, генераторы подразделяются на:

1. низкочастотные 0,01-100кГц;

2. высокочастотные 0,0-100МГц;

3. сверхвысокочастотные >100МГц.

По способу возбуждения различают генераторы:

1. с независимым внешним возбуждением;

2. самовозбуждением.

Последний вид генераторов называется автогенератором.

Генераторы с независимым внешним возбуждением по существу является усилителем мощности с соответствующим частотным диапазоном, на вход которого подаются электрические сигналы от автогенераторов.

Автогенераторы представляют собой усилитель с цепью обратной положительной связи.

Структурная схема генератора:

В верхнем четырехполюснике происходит усиление колебаний в k раз, в нижнем четырехполюснике происходит ослабление сигнала в раз.

, , ,

, (1)

Чтобы выполнялось выражение (1) необходимо, чтобы

=1 (2), (3), (4).

В (3) - это изменение фазы колебаний при прохождении сигнала через усилитель;
- это изменение фазы колебаний при прохождении сигнала через цепь обратной связи.

Условие (3) называется условием баланса фаз.

Условие (4) называется условием баланса амплитуд.

Рассмотрим принципиальную схему LC-генератора.

В данном LC-генераторе используется резонансный усилитель, в цепь коллектора транзистора которого включен в КК . Цепь обратной связи представляет собой катушку связи, которая включена на вход усилителя. В конденсаторах и по переменному току, тем самым исключается влияние переменной составляющей на рабочую точку транзистора VT1. Число витков в катушке связи составляет примерно 10% от количества витков катушки .

Необходимая фаза колебаний на входе усилителя для получения автоколебаний добивается соответствующим подключением концов катушки связи. Первоначально колебания в автогенераторе возникают из-за флуктуации тока коллектора транзистора.

Переменное напряжение при помощи катушки связи подается на вход усилителя. Амплитуда колебаний постепенно нарастает при .

По мере роста амплитуды колебаний на переходе эммитер-коллектор транзистора из-за нелинейности его ВАХ коэффициент усиления начинает уменьшаться, и . При этом появляются колебания с постоянной амплитудой и они поддерживаются на требуемом уровне автоматически.

Нел-ый уч-к

Коэффициент усиления , на линейном участке , k уменьшается не нелинейном участке.

График установления колебаний:

Автоколебания возможны только в том случае, если мощность, вносимая в колебательную систему достаточна для компенсации потерь в ней, в противном случае возможны только затухающие колебания.

Вносимая мощность в автоколебательную систему , как и мощность потерь, зависит от квадрата амплитуды напряжения на входе усилителя.

Как известно, коэффициент усиления любого усилителя постоянен в некотором пределе измерения входного напряжения. В области достаточно больших значений входного напряжения не убывает с ростом входного напряжения. Это приводит к тому, что зависимость в реальной автоколебательной системе является нелинейной. В зависимости от того на каком участке ВАХ выбрана рабочая точка как функция может быть представлена двумя линиями.

Pвнос.

P потерь

P

С

А

		В

Pпотерь связана с нагреванием проводников, полупроводников.

.

В области малых значений входного напряжения характер зависимости вносимой мощности от квадрата входного напряжения (кривые 1 и 2) существенно различаются. В первом случае вносимая мощность превышает мощность потерь. Это приводит к тому, что т.О является точкой неустойчивого состояния, а именно, случайно возникшие за счет флуктуации токов в транзисторе переменное напряжение на выходе усилителя, соединенного со входом посредством цепи обратной положительной связи с течением времени будут увеличиваться по амплитуде, пока его значение не станет равным , при котором в зависимости и пересекаются в т.А. Это значит, что вносимая мощность в точности компенсирует мощность потерь в системе. Такой режим возникновения колебаний называется мягкий. Он возникает тогда, когда рабочая точка транзистора выбрана на линейном участке входной ВАХ. В этом случае говорят, что усилитель работает в режиме класса А.

Во втором случае, характе5ризующимяс кривой 2, имеются точки А,В и С пересечения кривых и . Точки О и С соответствуют устойчивому состоянию системы, а т.В – неустойчивому. В т.О система не может самопроизвольно выйти из устойчивого состояния, т.к. < . Для возбуждения колебаний необходим первоначальный импульс тока, который приведет систему в состояние С. , где > .

В этом случае амплитуда будет нарастать до установившегося значения , при котором мощность, вносимая, и мощность потерь компенсируют друг друга (т.С). Такой режим работы генератора называется жестким. Он может быть получен путем установления рабочей точки входной ВАХ транзистора на нелинейном участке, как правило, вначале ВАХ. В этом случае говорят, что усилитель работает в режиме класса В.

Дата добавления: 2017-02-01