Полосовой усилитель

Предлагаемое устройство относится к радиотехнике и может быть использовано в радиотехнических установках, в частности, в радиоприемных устройствах.

Известно устройство для усиления сигналов в заданной полосе частот, содержащее усилительный элемент (транзистор) и LC-цепь второго порядка (колебательный контур) (см., например, Гоноровский И. С. «Радиотехнические цепи и сигналы». Учебник для вузов. Изд. 5-е исправленное. Дрофа 2006, стр. 222).

Недостатком схемы является низкий динамический диапазон, который описывается формулой:

где U_max - максимальное напряжение без искажений формы, U_min - уровень шума.

Уровень шума зависит от шумовых свойств элементов схемы (в том числе транзистора) и способа включения усилительного элемента в избирательную цепь. В указанном устройстве усилитель предшествует нагрузке, поэтому шумы усиливаются вместе с сигналом, а затем фильтруются, что приводит к снижению динамического диапазона за счет дополнительных шумов транзистора.

Наиболее близким к предлагаемому устройству по технической сущности является устройство (Л.П. Хьюлсман, Ф.Е. Аллен, Введение в теорию и расчет активных фильтров. Перевод с английского Н.Н. Слепова, под ред. А.Е. Знаменского. - М.: «Радио и связь», 1984, стр. 155, рис. 4.3 - 1), содержащее интегральный усилитель, первый и второй конденсаторы, первый, второй и третий резисторы (фиг. 1), подключенные так, что описывается передаточной функцией второго порядка:

где R₁=R₂=R₃=R и C₁=C₂=C, K₀ - коэффициент усиления усилителя.

Недостатком схемы такого полосового усилителя является низкий динамический диапазон из-за высокой чувствительности передаточной функции (2) к отклонениям величины усиления и большого уровня шумов за счет активного элемента. В источнике (Змий Б.Ф. Синтез линейных устройств обработки сигналов на активных четырехполюсниках высших порядков. Монография. - Воронеж: ВАРГУ, 2008. - 325 с., ил., стр. 162, 179) доказано, что величина напряжения шумов зависит от величины коэффициента усиления и чувствительности передаточной функции к отклонениям параметров усилителя:

Чем больше величина , тем больше уровень шума на выходе, а следовательно, тем меньше динамический диапазон.

Для схемы прототипа величина произведения функции чувствительности на резонансной частоте на величину коэффициента усиления равна: S(ω₀)⋅K₀=4/(4-К₀). При Q=10, K₀=3,86 эта величина составит 30, что сильно уменьшает динамический диапазон из-за увеличения уровня шума (на 30 дБ).

Техническим результатом предлагаемого устройства является увеличение динамического диапазона при усилении сигналов в узком диапазоне частот за счет снижения уровня шумов путем увеличения добротности полюсов передаточной функции пассивной цепи (Кочанов Н.С., Кузьменко М.И., Куприянов В.А. Линейные радиотехнические устройства. М.: Воениздат 1974. - 448 с, стр. 115), которая приводит к уменьшению функции чувствительности, а следовательно, к увеличению динамического диапазона.

На фиг. 2 представлена схема предлагаемого устройства.

Технический результат достигается тем, что в полосовой усилитель, содержащий интегральный усилитель, первый и второй конденсаторы и резистор, первым выводом соединенный с общей шиной, а вторым выводом с входом интегрального усилителя, выход которого является выходом устройства, включена катушка индуктивности, первым выводом соединенная с входом интегрального усилителя, а вторым выводом с первыми выводами первого и второго конденсаторов, причем второй вывод первого конденсатора является входом устройства, а второй вывод второго конденсатора соединен с выходом интегрального усилителя.

Сущность изобретения заключается в том, что введение в схему активного RC-четырехполюсника катушки индуктивности позволяет увеличить добротность полюсов пассивной части цепи , за счет чего уменьшается чувствительность к отклонениям параметров активного элемента, а следовательно, уменьшается уровень шумов и увеличивается динамический диапазон усилителя. Покажем это.

В соответствии с (Змий Б.Ф. Синтез линейных устройств обработки сигналов на активных четырехполюсниках высших порядков. Монография. - Воронеж: ВАИУ, 2008. - 325 с., ил, стр. 50) передаточная функция предлагаемого устройства (фиг. 2) имеет вид:

Функция чувствительности будет равна:

При получим .

Увеличивая C₁ по отношению к C₂, можно получить величину чувствительности меньше 2, что позволяет по меньшей мере в 15 раз уменьшить уровень шума на центральной частоте по сравнению со схемой прототипа. Таким образом введение дополнительной индуктивности и соединение ее первым выводом с входом интегрального усилителя, а вторым выводом с первыми выводами первого и второго конденсаторов, причем второй вывод первого конденсатора является входом устройства, а второй вывод второго конденсатора соединен с выходом интегрального усилителя, позволяет увеличить динамический диапазон усилительного устройства.

На фиг. 3. представлены результаты схемотехнического моделирования в программной среде Microcap уровня шумов предлагаемой схемы и схемы прототипа. На фиг. 3 видно, что уровень шумов предлагаемой схемы значительно ниже, чем у схемы прототипа, что свидетельствует об увеличении динамического диапазона.