Резонансный усилитель

Резонансный усилитель может быть использован в радиотехнике в качестве избирательного усилителя сигналов в селективных измерениях, обеспечивая необходимые характеристики на низких частотах без применения громоздких катушек индуктивности и конденсаторов больших номиналов емкостей. Резонансный усилитель содержит входной усилительный транзисторный каскад 1 с открытым коллекторным выходом, в цепь коллектора 3 включен колебательный контур, образованный индуктивностью 5 и емкостью 6, согласующий неинвертирующий операционный усилитель (ОУ) 7 с единичным коэффициентом усиления, неинвертирующий ОУ 8 с коэффициентом усиления меньше единицы и инвертирующий ОУ 9 с коэффициентом усиления больше единицы. Для увеличения добротности колебательного контура емкость колебательного контура выполнена в виде последовательно соединенных двух конденсаторов 11 и 12, общая точка соединения которых подключена к выходу согласующего усилителя 7 через резистивный делитель 12, 13, 14. 1 з.п. фор-лы., 3 ил.

Полезная модель относится к радиотехнике, а именно к резонансным усилителям, и может быть использована в качестве избирательного усилителя сигналов в селективных измерениях (низкочастотные измерительные приемники, микровольтметры и т.д.).

Избирательные усилители с нагрузкой в виде резонансного LC-контура используют в диапазоне радиочастот для выделения узкополосного сигнала из сложного по спектральному составу входного колебания.

Известен резонансный усилитель (ав.св. №307736, опубл. 27.06.2000 г.), колебательный контур которого образован внутренней индуктивностью основного транзистора и конденсатором, включенным в цепь эмиттера этого же транзистора. Для повышения добротности и коэффициента усиления резонансного усилителя база транзистора подключена к общей шине через конденсатор и переход эмиттер-коллектор дополнительного транзистора, база которого соединена с источником входного сигнала и через резистор с эмиттером основного транзистора.

Известен усилитель (Горошков Б.И. «Радиоэлектронные устройства», справочник, Москва «Радио и связь», 1984, с.148-150, рис.4.94), который принят в качестве ближайшего аналога предлагаемого резонансного усилителя, который включает в себя входной транзисторный каскад

усиления, базовая цепь которого связана RC-звеном со входом устройства, а нагрузка по коллекторной цепи включает в себя LC-контур.

К резонансным усилителям кроме обеспечения основных электрических характеристик (резонансный коэффициент усиления, избирательность при требуемой полосе пропускания, коэффициент шума, нелинейные искажения, динамический диапазон и т.п.) предъявляются требования иметь механическую прочность, потреблять малую мощность от источника питания и иметь небольшие габариты, массу и стоимость. Но при выполнении резонансного усилителя для работы в диапазоне достаточно низких частот (0.1 Гц-10 кГц) увеличиваются необходимые физические значения индуктивности и емкости колебательного контура, что создает определенные трудности в реализации громоздких катушек индуктивности (которые далеки от идеала, поскольку ведут к «потерям», т.е. имеют значительное сопротивление, паразитную емкость обмотки, чувствительность к магнитным помехам) и больших величин емкостей (исключающих возможность реализации точностных параметров), усложняя конструкцию усилителя и снижая его надежность, при этом увеличивая его габариты, массу, стоимость.

Технической задачей, решаемой полезной моделью, является снижение физических величин индуктивности и емкости колебательного контура резонансного усилителя низких частот, обеспечивая при этом все необходимые его электрические характеристики, упрощая трудоемкость

выполнения устройства, уменьшая его габариты, массу, стоимость изготовления и повышая надежность эксплуатации.

Достижение технических результатов обеспечивается нижеприведенными отличительными признаками.

Резонансный усилитель содержит входной усилительный каскад на транзисторе, база которого подключена к точке подачи входного сигнала, а эмиттер подключен к общей шине, колебательный контур, образованный индуктивностью и емкостью, первые выводы которых соединены с коллектором транзистора. В отличие от прототипа резонансный усилитель содержит согласующий неинвертирующий операционный усилитель с единичным коэффициентом усиления, вход которого соединен с первыми выводами индуктивности и емкости колебательного контура, а выход является выходом резонансного усилителя, неинвертирующий операционный усилитель с коэффициентом усиления меньше единицы и инвертирующий операционный усилитель с коэффициентом усиления больше единицы, подключенные выходом соответственно ко вторым выходам индуктивности и емкости, а входом к выходу согласующего неинвертирующего операционного усилителя.

В варианте выполнения резонансного усилителя для увеличения добротности колебательного контура на низких частотах при малых значениях индуктивности емкость выполнена в виде последовательно соединенных двух конденсаторов, общая точка соединения которых

подключена к выходу согласующего неинвертирующего операционного усилителя через дополнительно введенный резистивный делитель.

На фиг.1 представлена эквивалентная схема резонансного усилителя;

на фиг.2 - эквивалентная схема резонансного усилителя по п.2 формулы;

на фиг.3 - принципиальная схема резонансного усилителя.

На схемах фиг.1÷3 обозначено: 1 - входной усилительный каскад на транзисторе; 2 - база транзистора; 3 - коллектор транзистора; 4 - эмиттер транзистора; 5 - индуктивность L₀ колебательного контура; 6, 10, 11 - емкость С₀ колебательного контура; 7 - согласующий неинвертирующий операционный усилитель с единичным коэффициентом усиления; 8 - неинвертирующий операционный усилитель с коэффициентом усиления меньше единицы; 9 - инвертирующий операционный усилитель с коэффициентом усиления больше единицы; 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19 - резисторы R.

Резонансный усилитель представляет собой (фиг.1) однокаскадный усилитель, входной усилительный транзисторный каскад 1 с открытым коллекторным выходом которого выполнен на транзисторе (типа VT1). База 2 транзистора подключена к точке подачи входного сигнала U_вх. , эмиттер 4 подключен к общей шине, а в цепь коллектора 3 включен колебательный контур, образованный индуктивностью 5 и емкостью 6, и входом согласующего неинвертирующего операционного усилителя 7 с единичным коэффициентом усиления (повторитель напряжения), выход которого является выходом резонансного усилителя U _вх. Неинвертирующий

операционный усилитель 8 с коэффициентом усиления меньше единицы и инвертирующий операционный усилитель 9 с коэффициентом усиления больше единицы подключены выходом соответственно ко вторым выходам индуктивности 5 и емкости 6, а входом к выходу согласующего неинвертирующего операционного усилителя 7. В качестве операционных усилителей 8 и 9 использованы широкополосные усилители типа VCA610 с переменным коэффициентом усиления, в качестве согласующего усилителя 7 использован усилитель типа OPA27GP.

Для увеличения добротности колебательного контура на низких частотах при малых значениях индуктивности (фиг.2) емкость колебательного контура выполнена в виде последовательно соединенных двух конденсаторов 11 и 12, общая точка соединения которых подключена к выходу согласующего усилителя 7 через резистивный делитель 12, 13, 14, резистор 12 которого обеспечивают положительную обратную связь. Резонансная частота усилителя не меняется.

На фиг.3 приведена принципиальная схема выполнения резонансного усилителя. Она отличается от эквивалентной схемы на фиг.1 наличием элементов цепей смещения (резисторы 15, 16, 17) транзистора 1 входного усилителя постоянного тока и наличием цепей обратной связи операционного усилителя 8 (резисторы 19, 20) и операционного усилителя 9 (резисторы 18, 21) с коэффициентом усиления К ₀>1.

Операционные усилители обладают большим коэффициентом усиления, высоким входным и сравнительно малым выходным сопротивлениями. С

помощью подключения к операционному усилителю различных цепей обратной связи можно осуществлять различные преобразования подводимых к нему сигналов.

Работа предлагаемого резонансного усилителя основана на принципе изменения динамического импеданса двухполюсника при подаче на один из его входов синфазного или противофазного напряжения. Увеличение (уменьшение) входного тока при этом эквивалентно уменьшению (увеличению) динамического сопротивления двухполюсника. Пример (фиг.3) реализации схемы резонансного усилителя на низкие частоты с использованием в его схеме операционных усилителей позволяет получить коэффициент передачи операционного усилителя 9 равным К_C=-(R₁₈ /R₂₁), а операционного усилителя 8 равным K_C=R₁₉/(R ₂₀+R₁₉). Динамические параметры индуктивности L_g и емкости C_g колебательного контура будут определяться соотношениями:

L _g=L₅/(1-K_L)=L ₅(1+(R₁₉/(R₂₀ )), где L₅ - индуктивность 5 контура;

C_g=С₆/(1-К _C)=С₆(1+(R₁₈ /(R₂₁)), где С₆ - емкость 6 контура.

То есть, в случае равенства резисторов R₁₉=R₁₈, R ₂₀=R₂₁ можно реализовать перестройку резонансной частоты колебательного контура при одинаковом изменении, например резисторов R₁₉, R ₁₈, при сохранении волнового сопротивления контура:

Таким образом, предлагаемый резонансный усилитель с использованием в качестве дополнительных элементов его схемы операционных усилителей позволяет синтезировать необходимые характеристики LC-контура на низких частотах без применения громоздких катушек индуктивности и конденсаторов больших номиналов емкостей.

1. Резонансный усилитель, содержащий входной усилительный каскад на транзисторе, база которого подключена к точке подачи входного сигнала, а эмиттер подключен к общей шине, колебательный контур, образованный индуктивностью и емкостью, первые выводы которых соединены с коллектором транзистора, отличающийся тем, что в него введены согласующий неинвертирующий операционный усилитель с единичным коэффициентом усиления, вход которого соединен с первыми выводами индуктивности и емкости колебательного контура, а выход является выходом резонансного усилителя, неинвертирующий операционный усилитель с коэффициентом усиления меньше единицы и инвертирующий операционный усилитель с коэффициентом усиления больше единицы, подключенные выходом соответственно ко вторым выходам индуктивности и емкости, а входом к выходу согласующего неинвертирующего операционного усилителя.

2. Резонансный усилитель по п.1, отличающийся тем, что емкость колебательного контура выполнена в виде последовательно соединенных двух конденсаторов, общая точка соединения которых подключена к выходу согласующего неинвертирующего операционного усилителя через дополнительно введенный резистивный делитель.