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. p_3/20=B₃/B₂₀

Wzmacniacz selektywny to taki w którym stosunek szerokości pasma B do częstotliwości środkowej f_0­ 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 f_r=f₀=
a szerokość pasma B=
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 C_re 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:

=[y]

Macierz admitancyjna

[y]=

Gdzie admitancje

Y₁=Y_g+Y_OR1+y₁₁

Y₂=y₂₂+Y_OR2+Y₀

Rozwiązując

U₂=

Gdzie

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
Jest to ogólny warunek stabilności wzmacniacza.

Wzmacniacz jest niestabilny jest wektor stosunku zwrotnego dotyka lub przetnie parabolę. Lewa strona nierówności
jest wektorem niezależnym od częstotliwości w przypadku wąskiego pasma wzmacniacza. Wielkość
może się zmieniać w szerokich granicach podczas strojenia wzmacniacza bądź przy niewielkich zmianach częstotliwości. Warunek graniczny stabilności otrzymuje się wiec gdy

Aby wzmacniacz był stabilny należy zapewnić aby
i w postaci końcowej warunek stabilności wzmacniacza przyjmuje postać
+Re(
<2

Gdzie
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 (G_g=G₀=G_OR=0) otrzymujemy inny warunek stabilności

+Re(
<2
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 K_w 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 G_pmax=
. 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 R_we=R_g

R_wy­=p²R_g

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 R_E zapewnia wymaganą stałość punktu pracy. Kondensator C_E dobiera się o takiej wartości, aby dla częstotliwości pracy wzmacniacza kondensator skutecznie blokował rezystor R_E(brak zewnętrznego sprzężenia zwrotnego) Rezystancje R_G i R_L­ to przetransformowane przez obwody dopasowujące rezystancje generatora i obciążenia.

Wypadkowa szerokość pasma wzmacniacza B_W 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 C_z1(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 K_W 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 K_W jest mniejsza od jedności. Im silniejsze niedopasowanie, tym mniejsze będzie wzmocnienie skuteczne mocy wzmacniacza określone zależnością:

Gdzie G_G i G_L 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 Y_n aby uzyskać zgodność poziomów obwodu sygnału

Wzmacniacz z filtrami RC

Realizacja małoczęstotliwościowych 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.

UKŁADY Sygnałowe

Przy analizie układów liniowych przyjmuje się założenie o pracy małosygnałowej i dzięki temu charakterystykę przejściową elementu aktywnego traktuje się jako liniowa w otoczeniu punktu pracy. Element aktywny można wtedy opuścić modelem liniowym np. hybryd π bądź parametrami macierzowymi i obowiązuje zasada superpozycji. W układach wielkosygnałowych te modele i parametry macierzowe są nieprzydatne i przestaje obowiązywać zasada superpozycji. Układy, w których muszą być uwzględnione własności nieliniowe elementu aktywnego, nazywane są układami nieliniowymi.

Jeśli do wyjścia układu liniowego doprowadzi się sygnał

u_we(t)=Ucosωt

To na wyjściu otrzymuje się

u_wy(t)=kUcos(ωt+

Doprowadzając ten sam sygnał do wyjścia układu nieliniowego, otrzymuje się, pomijając przesunięcie fazy

u_wy(t)=U₀+U₁cosωt+U₂cos2ωt+U₃cos3ωt+…

Czyli poza składową stałą i podstawową pojawiają się harmoniczne.

Pierwszym przykładem układu wielkosygnałowego może być wzmacniacz mocy. Wzmacniacze mocy można klasyfikować według[1]:

a)Mocy wyjściowej-jako małej mocy(pojedyncze waty- zwykle scalone), dużej mocy (dziesiątki setek watów- zwykle dyskretne) i bardzo dużej mocy (kilowaty).

b)Częstotliwości- jako selektywne bądź szerokopasmowe, małej lub dużej częstotliwości.

c)Typy zastosowanego elementu aktywnego- jako tranzystorowe, a do specjalnych zastosowań zbudowane na lampach elektronowych,

d)Kąta przepływu prądu wyjściowego 2θ - jako wzmacniacze klasy A,B,AB,C

Kąt przepływu prądu kolektora (drenu) 2θ jest to taka część okresu sygnału wejściowego (wyrażonego w mierze kątowej), przez którą płynie prąd wyjściowy elementu aktywnego. Położenie statycznego punktu pracy, kształt sygnału wyjściowego i interpretację kąta przepływu dla poszczególnych klas pracy przedstawiono na rys. 7.1.

Dla wzmacniacza klasy A i B kąt przepływu wynosi odpowiednio 360^o i 180^o. Dla wzmacniacza klasy C kąt przepływu 2θ< 180^o, a dla klasy AB 180^o < 2θ< 360^o (punkt pracy dla tego przypadku przyjmuje się zwykle na „kolanie” charakterystyki”). Wzmacniacze mocy znajdują zastosowanie przede wszystkim jako stopnie końcowe nadajników i odbiorników radiowych.

Analizując właściwości układów wielkosygnałowych wymaga podstawowej wiedzy z zakresu opisu charakterystyk elementów nieliniowych i analizy widmowej

---