Elektronika

Maturitní otázky

LADĚNÉ VYSOKOFREKVENČNÍ ZESILOVAČE

26.Laděné vysokofrekvenční zesilovače

Vysokofrekvenční zesilovače jsou určeny pro zesilování signálů vyšších frekvencí a jejich vstupní i výstupní obvody bývají tvořeny rezonančními obvody, nebo jejich soustavami. Rezonanční obvody jsou tvořeny buď jednoduchými paralelními rezonančními obvody, nebo vázanými rezonančními obvody, jejichž třídecibelová šířka přenášeného pásma je o -krát větší než u jednoduchých obvodů, nebo jsou vytvářeny pásmovými propustmi, např. znázorněnými na obr.

Tyto rezonanční obvody mají reálnou část impedance jen v okolí rezonanční frekvence, pro stejnosměrný proud a pro frekvence vzdálené od rezonanční frekvence je jejich impedance podstatně menší a má jen imaginární složku. Při rezonanční frekvenci je dynamický odpor rezonančních obvodů dán vztahem , kde Q je činitel jakosti rezonančního obvodu (bývá řádově 10²). Tento dynamický odpor (řádově bývá desítky kW) představuje zatěžovací odpor tranzistoru. Aby nebyl výstupním  (nebo vstupním) odporem ovlivněn, připojuje se tranzistor k tomuto obvodu buď přes odbočku cívky (indukčnosti) nebo přes kapacitní dělič.

připojení tranzistoru přes cívku                                       připojení přes kapacitní dělič

Při připojení tranzistoru, který nám představuje tlumící odpor R_tl přes odbočku cívky, se nám transformuje relativně malý odpor tranzistoru na svorky rezonančního obvodu vztahem , kde  a N je příslušný počet závitů. Zde musíme mít cívku s potřebnou odbočkou. Není-li tato odbočka k dispozici, připojujeme tlumící odpor před kapacitní dělič, kde převod . Výsledná rezonanční kapacita je .

 Kapacita tranzistoru C_CB způsobuje nežádoucí zpětnou vazbu nebo oscilace zesilovače. Proto se u těchto zesilovačů provádí tzv. neutralizace, která spočívá v tom, že se přivede na bázi tranzistoru z vhodného bodu na výstupu střídavé napětí opačné fázi, než má kolektor.

Na obr. je neutralizace provedena členem R_nC_n a musí být splněna podmínka . Hodnoty C_CB a R_CB určíme buď měřením, nebo z admitančních charakteristik tranzistoru, protože platí .

Potom  a .

Zesílení tranzistorového stupně je dáno vztahem

  , kde R_d je zatěžovací impedance  tranzistoru.

Při zesilování vysokých kmitočtů je nutno míti na paměti, že proudový zesilovací činitel h_21e od určitého kmitočtu klesá nepřímo úměrně s kmitočtem o 6dB/okt (20dB/dek). Kmitočet f_m, od kterého nastává tento pokles je dán vztahem  , kde f_T je tranzitní kmitočet tranzistoru, při kterém je h_21e = 1, a je udáván v katalogu, h_21e je hodnota proudového zesilovacího činitele při nízkých frekvencích.

Existují i další typy vysokofrekvenčních zesilovačů. Pro velké výkony (např. ve vysílačích) se řeší zesilovače jako elektronkové, často pracující ve třídě C. V radarové technice se používají zesilovače permaktronové (elektronky s postupnou vlnou) nebo klystronové, parametrické zesilovače, varaktorové zesilovače  a další. Jejich použití je vázáno na mikrovlnná pásma

Při konstrukci zesilovače je třeba respektovat některé zásady, abychom předešli nežádoucí zpětné vazbě a následnému rozkmitání zesilovače. Samozřejmostí je pozornost věnovaná parametrům (především mezní kmitočty) aktivních součástek.

Požadované šířky přenášeného pásma se u selektivních vysokofrekvenčních zesilovačů dosahuje zapojením jednoduchých nebo vázaných rezonančních obvodů, popř. elektromechanických filtrů namísto kolektorového rezistoru.

Jako první v krátkosti popišme vysokofrekvenční zesilovač s jednoduchým rezonančním obvodem. Jeho principiální schéma vidíme na obr. 1.

Obr. 1. Principiální schéma vf selektivního zesilovače

Odpor R_po představuje ztrátový odpor rezonančního obvodu tvořeného součástkami L a C. V rezonanci se uplatňuje pouze právě tento odpor a na emitoru tranzistoru dostaneme téměř plné napájecí napětí. Pro signály s kmitočtem různým od rezonančního představuje rezonanční obvod velkou impedanci a signál je veden na výstup zesilovače. Doposud jsme mlčky předpokládali pouze působení odporu R_po. V reálném zesilovači však působí ještě výstupní odpor tranzistoru r₂, vstupní odpor následujícího stupně R_z a odpory rezistorů pro nastavení pracovního bodu tranzistoru. Všechny jsou reprezentovány tlumícím odporem R_Tl, jež je připojen paralelně k odporu R_po a tvoří s ním výsledný odpor R_p. Rozsáhleji je teorie rezonančních obvodů probrána v příslušné kapitole. Připomeňme ještě, že se můžeme setkat s odebíráním signálu z odbočky v kapacitní nebo indukční větvi rezonančního obvodu, jest tak činěno z důvodů snížení tlumení rezonančního obvodu. Rovněž kondenzátor C nepředstavuje jedinou kapacitu v obvodu. Celková kapacita C_c je tvořena kromě C rovněž výstupní kapacitou tranzistoru C₂, kapacitou montáže C_m a vstupní kapacitou následujícího stupně C_z.

Připomeňme, že rezonanční kmitočet je dán Thompsonovým vztahem

Šířka přenášeného pásma závisí na provozním činiteli jakosti použitého rezonančního obvodu

Provozní činitel jakosti rezonančního obvodu závisí na velikosti tlumícího odporu. Z toho je zřejmé, že šířka přenášeného pásma je závislá na velikosti tlumícího odporu použitého rezonančního obvodu.

Napěťový přenos zesilovače je

kde Z je impedance použitého rezonančního obvodu

Již v kapitole Jednoduché rezonanční obvody jsme Z vyjádřili jako

tedy napěťový přenos zesilovače je

Na rezonančním kmitočtu, kde F=0 je napěťový přenos

                V případě, že nedostačuje strmost boků rezonanční křivky jednoduchých rezonančních obvodů, používají se v kolektoru vysokofrekvenčního zesilovače vázané rezonanční obvody. Principiální schéma vidíme na obr. 2. Teorie vázaných rezonančních obvodů je uvedena v příslušné kapitole. Nejvýhodnější vazbou z hlediska strmosti boků rezonanční křivky je vazba nadkritická, avšak na úkor šířky pásma.

Obr. 2. Principiální schéma vf selektivního zesilovače s vázaným rezonančním obvodem v kolektoru