Резонансные усилители с умножителем добротности
Как известно, полоса пропускания резонансного усилителя связана с добротностью простым соотношением
Δf / f = 1 /(2Q)
В случае необходимости получения очень узкой полосы пропускания требуется применять частотно-избирательную систему с высоким значением добротности. Обычно применяемые колебательные контура чаще всего имеют добротность не превышающую 100 единиц. Катушки колебательных контуров с большей добротностью становятся громоздкими, так как их приходится мотать более толстым или многожильным проводом типа литцендрат. Получить добротность обычного колебательного контура порядка 1000 единиц вообще нереально. В этом случае вместо колебательных контуров применяют электромеханические частотно-избирательные системы: кварцевые фильтры, пьезоэлектрические фильтры, электромеханические фильтры. Однако такие фильтры промышленность изготавливает на фиксированные частоты с вполне определённым значением полосы пропускания, в результате их не всегда можно применить. В ряде случаев поставленную задачу можно решить применением усилителя с умножением добротности. Такие усилители, вообще говоря, известны давно. Например, умножение добротности применяется в узкополосных усилителях с мостом Вина или двойным Т-образным мостом. На заре развития радиотехники умножение добротности широко применялось в радиоприёмной аппаратуре. Однако в настоящее время эффект умножения добротности мало известен.
В усилителях с умножением добротности одновременно применяют два вида обратной связи. Частотно-независимую отрицательную и частотно-зависимую положительную. При этом суммарная обратная связь должна оставаться отрицательной, что обеспечивает стабильность получаемых результатов.
рис. 1
На рис.1 показана схема такого усилителя. R1,R2 образуют цепь частотно-независимой отрицательной обратной связи. Через резистор Ro подаётся положительная обратная связь, частотная характеристика которой определяется свойствами используемого колебательного контура. Второй операционный усилитель является буферным. Анализ этой схемы показал, что результирующая добротность определяется выражением
Q = Qo/(1 - Qo/(ω*Ro*C))
где Qo - добротность используемого колебательного контура. Таким образом, добротность умножается на Qo/(1 - Qo/(ω*Ro*C)). В зависимости от величины сопротивления резистора Ro добротность может изменяться от значения Qo до бесконечности, когда усилитель самовозбуждается, причём всегда отрицательная обратная связь больше положительной и только при возбуждении они сравниваются. Экспериментально на частоте 600 кГц легко получается значение добротности порядка 1000. На резонансной частоте выходной сигнал превышает входной в такое же число раз, во сколько раз увеличивается добротность. Следует иметь ввиду, что добротность Qo с ростом температуры уменьшается. Она уменьшается прежде всего за счёт увеличения с ростом температуры омического сопротивления катушки индуктивности. Результирующая добротность в связи с этим также будет меняться, причём она будет меняться быстрее изменения добротности используемого колебательного контура во столько раз, во сколько увеличится добротность, и может стать весьма заметной. Для борьбы с этим явлением последовательно с резистором Ro можно включить полупроводниковое термосопротивление. Его величина должна быть, примерно, в десять раз меньше суммарного сопротивления Ro.
рис. 2
На рис.2 показана схема резонансного усилителя мощности с умножением добротности. На выходе усилителя используется двухтактный усилительный каскад класса "АB". В каждом плече стоит по три транзистора в параллель, а показан лишь один, чтобы не загромождать схему. Начальное смещение выходных транзисторов устанавливается подстроечными резисторами в цепи базы входных транзисторов таким, чтобы ток покоя, потребляемый выходным каскадом, составлял порядка 0.5 А. На входе усилителя стоит дифференциальный усилительный каскад. На один его вход подаётся входной сигнал, а на второй вход-сигнал обратной связи, образованный суммированием сигнала отрицательной обратной связи, снимаемого с трансформатора Т1 и сигнала положительной обратно связи, снимаемого с выхода частотно-избирательной системы, образованной двумя последовательными колебательными контурами, включёнными по дифференциальной схеме. Применение дифференциальной частотно-избирательной системы обеспечивает дополнительное затухание сигнала за пределами полосы пропускания. Величина сигнала отрицательной обратной связи регулируется подстроечным потенциометром. На частоте 600 кГц и полосе пропускания 4 кГц максимальная выходная мощность достигает 200 ватт при коэффициенте полезного действия 50%. При такой мощности и добротности 150, если бы не использовался эффект умножения добротности, напряжение на конденсаторах колебательных контуров могло бы достигнуть 15000 вольт, что крайне затруднительно было бы реализовать. В нашем случае это напряжение получается в коэффициент умножения добротности меньше и составляет всего порядка 3000 вольт.
рис. 3
На рис.3 показана экспериментально снятая частотная характеристика данного усилителя. По вертикальной оси отложено затухание сигнала. Приведены три характеристики. Без включения положительной обратной связи и с разными значениями положительной обратной связи.
Петин Г.П., Могоровский В.Е.
