Вопрос №1. В лекции №15 была рассмотрена структурная схема супергетеродинного радиоприемника, где первым усилителем является усилитель радиочастоты (УРЧ)

УРЧ С ПОВЫШЕННОЙ УСТОЙЧИВОСТЬЮ

ЛЕКЦИЯ №16

В лекции №15 была рассмотрена структурная схема супергетеродинного радиоприемника, где первым усилителем является усилитель радиочастоты (УРЧ). Так как УРЧ один из первых элементов, то к нему предъявляются достаточно жесткие условия: он должен работать устойчиво и иметь малый уровень шумов. В случае нестабильной работы УРЧ нестабильно будет работать весь радиоприемник, а сильные шумы УРЧ будут усилены всеми последующими каскадами и могут привести к потере полезного сигнала. Некоторые практические схемы УРЧ будут рассмотрены в данной лекции.

Критерии устойчивости усиления

Устойчивостью усилителя является постоянство его показателей при изменении условий внешней среды, изменении напряжения питания, а также при перестройке усилителя в диапазоне частот.

Известно, что всякая система устойчива, если она, будучи выведена из состояния равновесия, после прекращения внешнего воздействия стремится вернуться к своему первоначальному положению. Например, маятник, выведенный из неподвижного состояния, начнет совершать колебания вправо-влево с амплитудой, уменьшающейся с каждым махом. Со временем маятник вернется в первоначальное, устойчивое положение.

Электронный усилитель является устойчивым, если при подаче на его вход импульса (рис.16.1а) изменение выходного напряжения U_ВЫХ примет характер затухающих во времени колебаний (рис.16.1б). В неустойчивом усилителе в этих условиях возникает нарастающее во времени выходное напряжение (тон) в виде колебаний с увеличивающейся амплитудой (рис.16.1в).

U_ВХ

а)

t

U_ВЫХ

б) t

U_ВЫХ

в)

t

Рис.16.1. Эпюры напряжений:

а) входной импульс; б) напряжение устойчивого усилителя;

в) напряжение неустойчивого усилителя

Усилитель, который имеет выходное напряжение U_ВЫХ, как на рисунке 16.1в склонен к самовозбуждению, т.е. самопроизвольному возникновению незатухающих колебаний в усилителе при отсутствии внешних воздействий. Самовозбуждающийся усилитель не может усиливать подаваемые на его вход слабые электрические сигналы, так как он оказывается полностью загруженным собственными колебаниями.

Устойчивость усилителя является его важнейшей характеристикой. Неустойчивость работы или даже самовозбуждение усилителя может возникнуть в результате проявления в усилителе паразитных обратных связей между его входной и выходной цепями. Эти связи могут возникнуть через источник питания, через емкостные и индуктивные паразитные связи элементов входных и выходных цепей и, наконец, через обратную проводимость усилительного элемента.

Первые две связи в усилителях являются наиболее опасными и устраняются конструктивными мерами: включением развязывающих фильтров в цепи питания, применением экранировки деталей, проводов, лампы, рациональным расположением элементов схемы и правильным монтажом. Связь через обратную проводимость усилительного элемента устранена не может быть, поэтому условия устойчивости усилителя находят лишь при наличии связи через эту проводимость.

Теория самовозбуждения и устойчивости усилителей была разработана В.И. Сифоровым и имела большое значение в развитии радиотехники.

Ниже причины неустойчивой работы усилителя и методы борьбы с ними рассмотрены более подробно.

Самовозбуждение может возникнуть как в усилителе с положительной, так и с отрицательной обратной связью. Так, при ПОС коэффициент усиления определяется выражением

где β – коэффициент передачи напряжения;

U_ОС – напряжение обратной связи.

В случае, когда βK_U =l знаменатель становится равен 0, а К_ПОС стремится к бесконечности, усилитель самовозбуждается. При βK_U >1 усилитель обычно тоже самовозбуждается.

Введение в усилитель ООС не приводит к самовозбуждению. Однако, если в цепи ОС есть реактивные элементы, вносящие дополнительный сдвиг фазы на 180⁰, то ООС фактически превращается в ПОС, что также может привести к самовозбуждению. Обычно это происходит на очень низких или очень высоких частотах.

Для оценки устойчивости усилителя с обратной связью применяется критерий устойчивости. Существует несколько критериев, но наиболее удобным для практического использования является критерий устойчивости Найквиста:

«Если точка с координатами (1;0) находится вне замкнутой кривой, описываемой концом вектора βK при изменении частоты от 0 до ∞, то устройство является устойчивым» (рис.16.2а).

Существуют устойчивые усилители с обратной связью, у которых на некоторых частотах петлевое усиление вещественно и превышает «1» (рис.16.2в). Такие усилители в определенных условиях (например, при перегрузке) могут самовозбуждаться и поэтому называются условно устойчивыми.

Главной причиной неустойчивой работы усилителя, как было сказано выше, является паразитная положительная обратной связи между выходом и входом усилителя.

iβk iβk iβk

0 1;0 βk 0 1;0 βk 0 βk

1;0

а) б) в)

Рис.16. 2. Годографы усилителя:

а) устойчивого; б) неустойчивого; в) условно устойчивого

Условия устойчивой работы усилителя можно определить оптимальным коэффициентом усиления, при котором усилитель будет работать устойчиво. Этот коэффициент усиления называется коэффициентом устойчивого усиления К_УСТ.

Фактический коэффициент усиления усилителя К не должен превышать коэффициент устойчивого усиления Куст:

К ≤ К_УСТ.

Для анализа устойчивости усилителя применяется обобщенная эквивалентная схема УЭ, пригодная как для ламповых, так и для транзисторных деталей. Если провести такой анализ, то можно получить некоторое предельное значение устойчивого коэффициента усиления лампового усилителя

где S − крутизна характеристики лампы;

С_АС (С_ПР) − проходная емкость между анодом и сеткой.

Из формулы видно, что для увеличения коэффициента устойчивого усиления К_УСТ необходимо применять УЭ с большой крутизной S и малой проходной емкостью С_АС. В то же время коэффициент К_УСТ растет с понижением частоты, поэтому в радиоприемных устройствах основное усиление происходит на более низкой частоте, называемой промежуточной. Выражение позволяет определить предельную рабочую частоту УЭ в каскаде.

Для транзисторного усилителя коэффициент устойчивого усиления определяется выражением

Если сравнивать параметры ламп и транзисторов, то можно видеть, что в итоге К_УСТ ламп превышает К_УСТ транзистора, то есть устойчивость лампового усилителя выше транзисторного.

В случае многокаскадного усилителя также необходимо выполнить требование

К_ОБЩ = К₁ ·К₂ ·... · К_n ≤ К_УСТ,

где К₁, К₂ и т.д. − коэффициенты усиления первого, второго и т.д. каскадов.

Условие устойчивой работы рассмотрено для каскадов усилителя, в которых биполярные транзисторы включены по схеме с общим эмиттером, полевые - по схеме с общим истоком, а лампы - по схеме с общим катодом. Для каскадов с другими схемами включения УЭ это условие будет иным, но подход к анализу устойчивой работы остается таким же.

Далее приведены виды паразитной ПОС и способы ее устранения.

1. Электростатическая (емкостная) ПОС − параллельная ОС по напряжению, обусловленная емкостями между любыми проводниками и деталями каскадов, а также между входными и выходными цепями усилителя. Электростатические связи уменьшаются рациональным монтажом и правильной конструкцией усилителя. Для этого:

− монтаж усилителя помещается в металлическую коробку,

− каскады располагаются по прямой линии,

− усилитель экранируются,

− расстояние между каскадами и выпрямителем (источником питания) увеличивается.

2. Индуктивная (магнитная) ПОС обусловлена взаимоиндукцией между любыми проводниками и деталями усилителя, по которым проходит ток (главным образом между трансформаторами). Индуктивная ПОС уменьшается следующими способами:

− трансформаторы располагаются как можно дальше друг от друга;

− входной трансформатор располагается так, чтобы силовые линии магнитных потоков рассеяния выходного и питающего трансформаторов проходили через входной трансформатор перпендикулярно оси его катушки;

− размеры входного трансформатора уменьшаются;

− сердечники трансформаторов изготавливаются из специального сплава с высокой магнитной проницаемостью;

− трансформаторы крепятся к шасси через немагнитную прокладку.

Большое внимание к входному трансформатору (катушке индуктивности, дросселю) уделяется потому, что если на нем появятся искажения, даже незначительные, то они будут усиливаться последующими каскадами, что приведет к большим искажениям сигнала.

3. Электромагнитная паразитная связь на сверхвысоких частотах (СВЧ) возникает между выводными проводниками УЭ, обладающими емкостью и индуктивностью и образующими колебательный контур с распределенными постоянными. На более низких частотах это явление или отсутствует, или проявляется в меньшей степени. В результате, коэффициент усиления снижается, а потребляемая мощность растет. Для борьбы с этим явлением необходимо:

− последовательно с выводом УЭ припаивать непроволочный защитный резистор небольшой величины;

− укорачивать, по возможности, выводы УЭ.

4. Электромеханическая ПОС проявляется в усилителях, подвергающихся вибрации или расположенных близко от громкоговорителя. Преобладает эта ПОС в лампах, где проявляется микрофонный эффект − появление выходного напряжения, пропорционального внешнему механическому воздействию. Для уменьшения влияния этой ПОС применяется:

− амортизация схемы усилительного устройства,

− защита баллона лампы звуконепроницаемым экраном (обычно толстым металлическим колпачком).

5. Паразитная связь через общий источник питания возникает из-за того, что токи сигнала выходных цепей всех каскадов, протекая через источник питания с внутренним сопротивлением Z, создает на нем падение переменного напряжения сигнала U_I , которое вместе с постоянной составляющей напряжения источника питания подводится к электродам УЭ. С этих электродов переменное напряжение U_I подается на входы следующих каскадов. Чем больше внутреннее сопротивление Z, тем больше напряжение обратной связи.

Для устранения ОС через общий источник питания применяются развязывающие фильтры типа RC − цепочки, где переменную составляющую на источник питания не пропускает конденсатор.

Развязывающий фильтр R_ФС_Ф блокирует источник питания усилителя по высокой частоте, то есть не допускает, чтобы переменная составляющая тока проходила через источник питания. Пример включения развязывающего фильтра показан на рисунке 16.3. Постоянная составляющая тока потечет через источник питания и резистор R_Ф, а переменная составляющая тока, протекая через С_Ф, минует источник питания.

к нагрузке УЭ

R_Ф

С_Ф

+

_ Е

Рис.16.3. Включение развязывающего фильтра R_ФС_Ф

6. Паразитная ОС через межэлектродную (проходную) емкость создает внутреннюю ОС, которая обусловлена обратной проходной проводимостью УЭ.

Проходной емкости С_ПР (рис.16.4), как отдельного элемента схемы, не существует. Поэтому проходная емкость С_ПР на рисунке 16.4 показана пунктиром.

C_ПР

VL

C L

+

- E_К

Рис.16.4. Проходная емкость УЭ

Проходная емкость образуется между входными и выходными электродами, в данном случае между анодом и катодом. Величина емкости С_ПР определяется расстоянием между электродами и их площадью. Паразитная связь через проходную емкость − основная причина неустойчивой работы усилителя. С этой причиной бороться наиболее сложно.

Для уменьшения проходной емкости С_ПР применяются специальные УЭ, например, высокочастотные пентоды (С_ПР≈0,005пФ), полевые транзисторы (С_ПР≈0,005пФ). Величина межэлектродной проходной емкости С_ПР зависит также от способа включения УЭ. Наименьшей проходной емкостью обладают такие схемы включения, как схема с общей сеткой, общей базой, общим затвором.

Выводы по 1-му вопросу:

1. При проектировании усилителя важным условием является правильный расчет коэффициента усиления, максимальное значение которого не должно превышать значения коэффициента устойчивого усиления К_УСТ.

2. Наиболее устойчивыми в работе являются ламповые усилители. Основной причиной более высокой устойчивости ламповых усилителей, по сравнению с транзисторными является меньшая проходная емкость ламп.