Wzmacniacze selektywne Przeznaczone do wzmacniania sygnałów w określonym paśmie częstotliwości w otoczeniu pewnej częstotliwości środkowej, przy dużym tłumieniu sygnału poza pasmem. Podstawową własnością wzmacniacza selektywnego jest jego selektywność, czyli zdolność do wydzielania składowych widma pożądanego sygnału spośród innych sygnałów doprowadzonych do wejścia. Charakterystyka wzmacniacza selektywnego:
Selektywność wzmacniacza określa się współczynnikiem prostokątności, opisującym stosunek szerokości pasm przy założonym spadku wzmocnienia. Np. p3/20=B3/B20 Wzmacniacz selektywny to taki w którym stosunek szerokości pasma B do częstotliwości środkowej f0 jest mniejszy od jedności. Wartość częstotliwości środkowej f0 stosowanych wzmacniaczy selektywnych zależy od ich przeznaczenia i można wyróżnić wzmacniacze selektywne m.cz. w.cz i b.w.cz. Wzmacniacze charakteryzuje się za pomocą takich samych parametrów, jak i każdy inny wzmacniacz: wzmocnienie skuteczne(zwykle mocy), impedancja wejściowa i wyjściowa, współczynnik szumów, dynamika, zniekształcenia sygnału. Klasyfikacja wzmacniaczy selektywnych ze względu na zastosowane obwody filtrujące: ###- wzmacniacze z filtrami RC dla dowolnych częstotliwości zakresu małych częstotliwości ### -wzmacniacze z filtrami LC dla dowolnych częstotliwości zakresu setek i więcej kHz ###-wzmacniacze z filtrami dla unormowanych częstotliwości
Wzmacniacze LC
Elementami filtrującymi są proste równoległe obwody rezonansowe. Częstotliwość rezonansową(środkową) obwodu rezonansowego określa zależność fr=f0=1/2π√LC a szerokość pasma B=f0/Q przy czym dobroć obwodu rezonansowego nieobciążonego jest praktycznie zależna od dobroci cewki. Problemem wzmacniacza LC jest jego stabilność. W zakresie częstotliwości pracy wzmacniaczy LC stosuje się macierz [y] uwzględniającą zespolone sprzężenie zwrotne w tranzystorze, jego obecność zasygnalizowano na rysunku wyprowadzając wewnętrzną pojemność tranzystora Cre na zewnątrz struktury tranzystora. Obciążenie tranzystora ma także charakter zespolony. To powoduje, że dla częstotliwości innej niż rezonansowa sprzężenie zwrotne realizowane jest przez y12 może się przekształcić w dodatnie, powodując utratę stabilności wzmacniacza
Problem stabilności wzmacniacza selektywnego LC Związek miedzy prądami i napięciami: [I1/I2]=[y]*[U1/U2] Macierz admitancyjna[y]=
Gdzie admitancje: Y1=Yg+YOR1+y11 Y2=y22+YOR2+Y0
Rozwiązując
U2=
Gdzie Δy=Y2Y1+y12y21 Zatem w układzie z odłączonymi sterowaniami zewnętrznymi możliwe jest powstanie pewnych niezerowych sygnałów wejściowych i wyjściowych. Aby wzmacniacz był stabilny, wyznacznik musi przyjmować wartość różną od zera Δy=Y2Y1+y12y21 >0 Jest to ogólny warunek stabilności wzmacniacza. Wzmacniacz jest niestabilny jest wektor stosunku zwrotnego dotyka lub przetnie parabolę. Lewa strona nierówności |T|ejθ<(1+jξ)2
jest wektorem niezależnym od częstotliwości w przypadku wąskiego pasma wzmacniacza. Wielkość ξ może się zmieniać w szerokich granicach podczas strojenia wzmacniacza bądź przy niewielkich zmianach częstotliwości. Warunek graniczny stabilności otrzymuje się wiec gdy |T|ejθ=(1+jξ)2
Aby wzmacniacz był stabilny należy zapewnić aby
i w postaci końcowej warunek stabilności wzmacniacza przyjmuje postać |y12y21|+Re(y12y21)<2G1G2 Gdzie G1G2- część rzeczywista Y1 Y2
Jeśli ten warunek jest spełniony to wzmacniacz jest stabilny. Nazwa stabilność robocza wynika z uwzględnienia w zakresie wszystkich elementów wzmacniacza. Przy idealizowaniu obwodów wejściowych i wyjściowych wzmacniacza (Gg=G0=GOR=0) otrzymujemy inny warunek stabilności |y12y21|+Re(y12y21)<2g1g2 ponieważ o jego spełnieniu lub niespełnieniu decydują tylko parametry elementu aktywnego, to ten warunek nosi nazwę warunku stabilności wewnętrznej wzmacniacza. W oparciu o powyższe warunki stabilności wyznaczono współczynniki stabilności wewnętrznej Kw i roboczej K (współczynnik Rolleta)
Jeśli wartość współczynnika stabilności wewnętrznej jest większa od jedności to oznacza ze tranzystor jest bezwzględnie stabilny i wzmacniacz zbudowany na tym tranzystorze będzie stabilny. Można wiec zastosować obustronne dopasowanie tranzystora na wejściu i wyjściu, uzyskując maksymalne wzmocnienie mocy Gpmax=
. Jeśli obwody rezonansowe będą mialy dużą dobroć, to w stopniu dopasowania tranzystora będzie decydowac tylko rezystancja generatora o obciążenia. Może się okazać że dla zastosowanego generatora i obciążenia wzmacniacz na wybranym tranzystorze bezwzględnie stabilnym będzie stabilny, ale nie będzie obustronnie dopasowany. Aby uniknąć tej niedogodności(strat wzmocnienia) we wzmacniaczach selektywnych stosuje się obwody rezonansowe z możliwością transformowania rezystancji. Najprostszym w realizacji obwodem transformującym jest obwód rezonansowy z dzieloną pojemnością.
Transmitancje dzielnika pojemnościowego opisuje zależność
Gdzie p jest tzw. Przekładnią obwodu rezonansowego.
Dla dostatecznie dużej dobroci obwodu rezonansowego jego straty można pominąć i wówczas moc doprowadzona do wejścia obwodu rezonansowego będzie równa mocy wyjściowej
Skąd przyjmując Rwe=Rg Rwy=p2Rg Tzn. otrzymujemy możliwość transformowania rezystancji generatora na mniejszą - transformator obniżający rezystancję. Zamieniając miejscami zaciski wejściowe i wyjściowe, otrzymamy transformator podwyższający rezystancję. Jeśli wzmacniacz będzie sterowany z generatora o rezystancji większe od wymaganej ze względu na dopasowanie od strony wejścia, to w miejsce prostego obwodu rezonansowego należy zastosować obwód dopasowujący, który przetransformuje ją na wartość mniejszą. W przeciwnym przypadku należy zastosować transformator podwyższający. Dla obwodu z dzieloną indukcyjnością przekładnię określa zależność
Gdzie M - indukcyjność wzajemna pomiędzy L1 i L2
Dla obwodu ze sprzężeniem transformatorowym określa stosunek M do L1
Identycznie zabiegi można zastosować przy dopasowywaniu od strony wyjścia wzmacniacza i w efekcie przykładowy schemat wzmacniacza selektywnego LC z obwodami dopasowującymi przyjmie postać jak na rysunku poniżej:
W miejsce obwodów z dzieloną pojemnością można zastosować obwody z dzieloną indukcyjnością lub ze sprzężeniem transformatorowym.
Rezystor RE zapewnia wymaganą stałość punktu pracy. Kondensator CE dobiera się o takiej wartości, aby dla częstotliwości pracy wzmacniacza kondensator skutecznie blokował rezystor RE(brak zewnętrznego sprzężenia zwrotnego) Rezystancje RG i RL to przetransformowane przez obwody dopasowujące rezystancje generatora i obciążenia.
Wypadkowa szerokość pasma wzmacniacza BW przy pracy synchronicznej (równość dobroci i częstotliwości rezonansowych obwodów) jest zależna od pasma poszczególnych obwodów. Pasmo pojedynczego obciążonego obwodu rezonansowego określa zależnośc:
Gdzie G1(2) jest wypadkową konduktancją obwodu wejściowego (wyjściowego) a Cz1(2) jest zastępczą pojemnością obwodu wejściowego (wyjściowego). Przy równości B1=B2=B pasmo wypadkowe
A przy nierówności pasm
W każdym przypadku wypadkowe pasmo wzmacniacza ulega zawężeniu.
W wielu przypadkach zdarza się jednak , że dla pewnych tranzystorów w szerszym lub węższym zakresie częstotliwości współczynnik stabilności wewnętrznej KW jest mniejsze od jedności. Oznacza to że tranzystor jest potencjalnie niestabilny i wzmacniacz zbudowany na tym tranzystorze może być stabilny lub niestabilny. Dopasowanie spowoduje oczywiście utratę stabilności wzmacniacza. Konieczne jest więc zastosowanie niedopasowania tym silniejszego, im wartość współczynnika KW jest mniejsza od jedności. Im silniejsze niedopasowanie, tym mniejsze będzie wzmocnienie skuteczne mocy wzmacniacza określone zależnością:
Gdzie GG i GL jest odpowiednio uogólnioną konduktancją generatora i obciążenia a wyznacznik:
Schemat wzmacniacza LC z niedopasowaniem może być analogiczny jak z dopasowaniem, lecz współczynnik transformacji(przekładnia obwodu rezonansowego) należy dobrać ze względu na niedopasowanie. To spowoduje, że dla danej rezystancji generatora (obciążenia) tranzystor będzie podłączony do źródła (obciążenia) o rezystancji innej - takiej, jaka jest wymagana ze względu na stabilność.
Jak wcześniej wspomniano, potencjalna niestabilność elementu aktywnego wynika z niezerowej wartości jego wewnętrznego sprzężenia zwrotnego określonego parametrem y12. Dla zapewnienia stabilnej pracy wzmacniacza z elementem aktywnym potencjalnie niestabilnym niekiedy stosuje się zabieg neutralizacji tego parametru według schematy przedstawionego na rysunku poniżej:
Przy przeciwnym podłączeniu uzwojeń transformatora(kropki oznaczają umowne początki uzwojeń) transformator odwraca fazę. W węźle W wystąpi sumowanie sygnału z wyjścia i pasożytniczego ( o przeciwnych fazach). Do neutralizacji wystarczy dobrać wartość admitancji Yn aby uzyskać zgodność poziomów obwodu sygnału
Wzmacniacz z filtrami RC
Realizacja mało częstotliwościowych wzmacniaczy selektywnych z filtrami LC jest niekiedy niemożliwa, gdyż wymagane wtedy duże wartości indukcyjności mogą być praktyczne nierealizowalne. Dla tego zakresu obwody selektywne tworzy się na bazie elementów RC, tworząc tzw. Filtry aktywne RC.
Do budowy filtru aktywnego można zastosować wzmacniacz operacyjny, w którym w pętli ujemnego sprzężenia zwrotnego włączono filtr pasmo zaporowy jak na rysunku poniżej:
Dla częstotliwości f0 ujemne sprzężenie zwrotne będzie najsłabsze(największe tłumienie filtru), więc wzmocnienie będzie największe i otrzymujemy wzmacniacz selektywny. Filtr pasmowo zaporowy dla małych częstotliwości można wykonać w postaci układu czwórnika „podwójne T” rysunek niżej:
Układ powstaje z połączenia dwóch filtrów T. Filtr złożony z elementów C,C,R/2 jest filtrem górnoprzepustowym, natomiast filtr złożony z elementów R,R,2C jest filtrem dolnoprzepustowym. Dla częstotliwości f=1/2πRC układ wprowadza największe tłumienie. Bardziej nowoczesną wersję filtru aktywnego RC otrzymuje się z filtru LC przez zastąpienie rzeczywistych cewek tzw. Analogami indukcyjności. Analog indukcyjności można uzyskać za pomocą inwertera dodatnio impedancyjnego PII, zwanego żyra torem.
Inwerter dodatnio impedancyjny uzyskamy jeśli zrealizujemy czwórnik, w którym nie występują zależności między prądami i napięciami tzn.
Wyznaczając admitancję wejściową takiego
czwórnika otrzymujemy
Żyrator zmienia więc charakter admitancji, czyli obciążony pojemnością realizuje(symuluje) na wejściu indukcyjność. Dodatkowo zauważamy że zmieniając przewodność żyracji, zmieniamy wartość indukcyjności. Uproszczony schemat żyratora przedstawiono na rysunku poniżej:
Układ bardzo dobrze nadaje się do scalania, a ze względu na prostotę jego użyteczny zakres częstotliwości jest szeroki. Przewodność żyracji zależy od doboru konduktancji g1 i g2.
Wzmacniacze z filtrami piezoelektrycznymi
Do realizacji wzmacniaczy na unormowane częstotliwości w miejsce uciążliwych w realizacji filtrów LC stosuje się powszechnie dostępne filtry z rezonatorami piezoelektrycznymi. Przykładowy schemat ideowy takiego wzmacniacza z filtrem ceramicznym drabinkowym FCD przeznaczonym do pracy na częstotliwości 465 kHz o paśmie 20 kHz i maksymalnym tłumieniu poza pasmem 60dB przedstawiono na rysunku poniżej:
Układy wzmacniające na tranzystorach sa typowymi pasmowymi wzmacniaczami RC. W połączeniu z elementem selektywnym realizują wzmacniacz selektywny o charakterystyce częstotliwościowej określonej przez charakterystykę filtru. Zastosowanie wzmacniaczy wynika z konieczności pokrycia strat filtru i zapewnienia odpowiedniego dopasowania filtru. Filtr niedopasowany będzie się charakteryzował dużym zafalowaniem charakterystyki w paśmie przepustowym.