РАДИО 1996 №11
При разработке низкочастотных резонансных усилителей и генераторов гармонических колебаний конструкторы обычно стараются обойтись без трудоёмких в изготовлении катушек индуктивности. Чаще всего в этих случаях они применяют мост Вина, позволяющий построить квазирезонансное устройство, используя только частотно-зависимые RC-цепи. Однако наряду с таким неоспоримым достоинством, как простота, конструкции на базе моста Вина имеют, к сожалению, существенный недостаток. Они чрезвычайно чувствительны к малейшему разбалансу параметров элементов моста. Чтобы обойти этот недостаток, автор публикуемой статьи предлагает вместо моста Вина использовать LC-контур на базе искусственной катушки индуктивности, реализуемой с помощью электронного устройства, называемого в радиотехнике гиратором. Хотя схемы резонансных усилителей и генераторов гармонических колебаний в этом случае усложняются, они позволяют получить более стабильные результаты.
Применение в радиолюбительских конструкциях гиратора, схема которого приведена в [1], весьма удобно. К сожалению, в первоисточнике это устройство описано только в общих чертах и многие его положительные свойства совершенно не раскрыты. Нет и примеров практического использования гиратора.
рис. 1
Принципиальная схема гиратора приведена на рис. 1. Теоретический анализ его работы показывает, что при идеальных операционных усилителях (ОУ) входное сопротивление гиратора Zвх носит чисто индуктивный характер. Причем величина индуктивности определяется следующим соотношением:
Zвх=Lвх=R1*R2*R4*C1/R3, где R - Ом; С - нФ; L - Гн.
Однако, поскольку коэффициент усиления реальных ОУ не бесконечен, а их усиление падает с ростом частоты, в создаваемой гиратором индуктивности появляются потери и добротность её снижается. Если принять R1=R2=R, R3=R4=r и wRC1=1, добротность можно рассчитать по формуле: Q=K0/(2+2K0f/fв), где Ко - коэффициент усиления ОУ; f и fв - рабочая частота и частота, на которой коэффициент усиления ОУ уменьшается в 1,41 раз. Так как К0 обычно очень велик, на низких частотах можно получить очень высокие значения добротности.
рис. 2
Если к такой искусственной катушке индуктивности подключить конденсатор, то образованный ими колебательный контур можно использовать в резонансных усилителях и генераторах гармонических колебаний. Схема одного из усилителей с параллельным колебательным контуром показана на рис. 2. На низких частотах, когда K0f/fв << 1 (а только этот случай и будет в дальнейшем рассматриваться), резонансная частота такого контура f0=(R3/R1*C1*R2*R4*C2)1/2 /(2*PI). добротность Q=R0(R3*C1/R1*R2*R4*C2)1/2, полоса пропускания df=1/2PI*R0*C1. Коэффициент усиления всего усилительного тракта Км=2.
Как следует из соотношения, для определения резонансной частоты помимо одиночных и сдвоенных конденсаторов переменной ёмкости её можно перестраивать одиночными и сдвоенными переменными резисторами. Применение сдвоенных элементов позволяет получить значительно более широкий диапазон перестройки, а использование одиночных элементов более удобно конструктивно. Большой диапазон перестройки можно получить, если функции органа перестройки частоты будет выполнять переменный резистор, включённый вместо постоянных резисторов R3 и R4. Однако в этом случае выходной сигнал следует снимать с движка этого резистора, иначе коэффициент усиления напряжения будет зависеть от частоты перестройки.
рис. 3
В усилителе, схема которого приведена на рис. 3, используется последовательный колебательный контур. В этом случае на резонансной частоте резко увеличивается коэффициент усиления. Вместо двух он становится равным Км=2Q. Добротность же будет определяться соотношением:
Q = (R1*R2*R4*C2/R3*С1)1/2/R0.
Коэффициент усиления усилителя не будет зависеть от частоты, если для её перестройки использовать сдвоенный конденсатор переменной ёмкости, однако полоса пропускания будет при этом меняться.
рис. 4
На базе резонансного усилителя с параллельным контуром (рис. 2) можно легко построить режекторный усилитель (рис. 4). Поскольку в резонансном усилителе на резонансной частоте сигнал на инвертирующем входе ОУ DA1 равен входному сигналу, достаточно из первого сигнала вычесть второй, чтобы получить отсутствие выходного. Операцию вычитания выполняет ОУ DA3. Обеспечить нулевую разность сигналов на других частотах уже не удастся.
рис. 5
Для преобразования резонансного усилителя в генератор гармонических колебаний необходимо скомпенсировать потери энергии в колебательном контуре [2]. В генераторах, схемы которых показаны на рис. 5 и 6, компенсация достигнута введением в контур регулируемого отрицательного сопротивления. В генераторе (рис. 5) его функции выполняет делитель напряжения, состоящий из постоянного резистора R6 и полупроводникового термистора R5. С ростом амплитуды генерируемого напряжения температура термистора будет увеличиваться и сопротивление его начнет падать. В результате вносимое им в колебательный контур отрицательное сопротивление будет уменьшаться и таким образом стабилизировать генерируемое генератором напряжение. Подбором сопротивления резистора R6 можно добиться максимального стабилизирующего действия термистора.
рис. 6
В качестве последнего лучше всего использовать приборы, предназначенные для стабилизации режима работы генераторов гармонических колебаний с мостом Вина, например, указанный на схеме термистор ПТМ2/0.5. Если же такой термистор достать не удастся, то можно использовать термисторы, применяемые в измерителях мощности, или выполнить генератор по схеме, приведённой на рис. 6. В этом генераторе функции стабилизации выполняет сверхминиатюрная сигнальная лампа накаливания СМН. Такие лампы широко применялись в старых вычислительных машинах. Стабилизация режима работы генератора может быть достигнута лишь в том случае, когда нить накаливания лампы будет разогрета докрасна. Однако обычный ОУ такой ток обеспечить не сможет, поэтому в генератор пришлось ввести усилитель тока на транзисторе КТ603Б.
Рассмотренные здесь устройства стабилизации генерируемого напряжения вполне эффективны. Достаточно сказать, что при изменении переменным резистором частоты генерации в пять раз величина генерируемого напряжения изменялась не более чем на 1%. Коэффициент нелинейных искажений в диапазоне звуковых частот не превышал 0,1 % и увеличивался на более низких и более высоких частотах В первом случае - из-за недостаточной тепловой инерции термистора или лампочки, а во втором - вследствие снижения добротности контура с гиратором в качестве искусственной индуктивности.
ЛИТЕРАТУРА
1. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. Т. 1. - М.: Мир, 1993, с. 297.
2. Петин Г. П. Транзисторные усилители, генераторы и стабилизаторы. - М.: Энергия, 1978.
Г. ПЕТИН, г. Ростов-на-Дону
