Dobbeltjustert forsterker - Double-tuned amplifier

En dobbel-innstilt forsterker er en innstilt forsterker med transformator kopling mellom de forsterkertrinn i hvilke induktansene av både primære og sekundære vindinger er innstilt hver for seg med en kondensator over hver. Ordningen resulterer i en bredere båndbredde og brattere skjørt enn en enkelt avstemt krets ville oppnå.

Det er en kritisk verdi av transformatoren koplingskoeffisient ved hvilken frekvensresponsen til forsterkeren er maksimalt flatt i passbåndet og at forsterkningen er maksimal ved resonansfrekvensen . Design bruker ofte en kobling som er større enn denne (overkoblingen) for å oppnå en enda bredere båndbredde på bekostning av et lite tap av forsterkning i midten av passbåndet.

Kaskadering av flere stadier av doble tunede forsterkere resulterer i en reduksjon av båndbredden til den totale forsterkeren. To trinn med dobbeljustert forsterker har 80% av båndbredden til et enkelt trinn. Et alternativ til dobbel tuning som unngår tap av båndbredde er forskjøvet tuning . Stagger-tuned forsterkere kan utformes med en foreskrevet båndbredde som er større enn båndbredden til et enkelt trinn. Imidlertid krever forskjøvet tuning flere stadier og har lavere forsterkning enn dobbel tuning.

Typisk krets

En typisk 2-trinns dobbelstemt forsterker

Kretsen som vises består av to stadier av forsterker i vanlig emittertopologi . De skjevhet motstander alle tjene sine vanlige funksjoner. Inngangen til det første trinn er koblet på konvensjonell måte med en serie kondensator for å unngå å påvirke forspenningen. Kollektorbelastningen består imidlertid av en transformator som fungerer som mellomtrinnskoblingen i stedet for kondensatorer. Transformatorens viklinger har induktans . Kondensatorer plassert på tvers av transformatorviklingene danner resonanskretser som gir tuning av forsterkeren.

En ytterligere detalj som kan sees i denne typen forsterker er tilstedeværelsen av kraner på transformatorviklingene. Disse brukes for inngangs- og utgangstilkoblinger til transformatoren i stedet for toppen av viklingene. Dette gjøres for impedansmatchingsformål ; bipolare kryss transistorforsterkere (typen vist i kretsen) har en ganske høy utgangsimpedans og en ganske lav inngangsimpedans. Dette problemet kan unngås ved å bruke MOSFET -er som har en veldig høy inngangsimpedans.

Kondensatorene som er koblet mellom bunnen av transformatorens sekundære viklinger og bakken, utgjør ikke en del av tuningen. Snarere er deres formål å dekoble de transistor skjevhet motstandene fra den vekselstrømkrets.

Egenskaper

Den dobbelte stemme, sammenlignet med singel-stemme, har den virkning å utvide båndbredden til forsterkeren og brattere opp skjørtet av responsen. Tuning på begge sider av transformatoren danner et par koblede resonatorer som er kilden til den økte båndbredden. Forsterkningen til forsterkeren er en funksjon av koplingskoeffisienten , k , som er relatert til den gjensidige induktans , M , og de primære og sekundære svingete induktanser , L _p og L _er henholdsvis, etter

${\ displaystyle M = k {\ sqrt {L _ {\ mathrm {p}} L _ {\ mathrm {s}}}}}$

Det er en kritisk verdi for koblingen der forsterkningen til forsterkeren er maksimal ved resonans. Under denne kritiske verdien er det en enkelt topp i frekvensresponsen med amplituden som topper ved resonans og toppen synker når k synker. En slik respons sies å være underkoblet. Ved verdier på k over kritisk kobling begynner responsen å dele seg i to topper. Disse toppene blir smalere og lenger fra hverandre etter hvert som k øker og gapet mellom dem (sentrert på resonansfrekvensen) blir gradvis dypere. En slik respons sies å være overkoblet.

En kritisk koblet forsterker har en respons som er maksimalt flat . Denne responsen kan også oppnås uten transformatorer med to stadier av en forskyvningsinnstilt forsterker . I motsetning til forskjøvet tuning, stiller dobbel tuning vanligvis begge resonatorene til den samme resonansfrekvensen . Imidlertid kan en designer velge å designe en overkoblet forsterker for å oppnå en bredere båndbredde på bekostning av en liten dukkert (vanligvis 3 dB for å maksimere 3 dB båndbredde) i midten av frekvensresponsen.

På samme måte som synkron tuning , har flere trinn med dobbeljusterte forsterkere effekten av å redusere båndbredden. Den 3 dB båndbredden av n identiske trinn, som en fraksjon av båndbredden til et enkelt trinn, er gitt tilnærmet ved,

${\ displaystyle {\ sqrt [{4}] {2^{1/n} -1}}}$

Dette uttrykket gjelder bare for små brøkbåndbredder.

Analyse

Kretsen kan representeres på en mer generisk måte ved å erstatte forsterkerne med en generalisert transkonduktansforsterker som vist.

Generisk representasjon av ett trinn i en dobbeljustert forsterker og en del av det følgende trinnet

hvor (utelatelse av scenetallets suffikser),

g _m er transkonduktansen til forsterkerne

G _o er utgangskonduktansen til forsterkerne

G _i er inngangskonduktansen til forsterkerne.

Vanligvis vil et design gjøre resonansfrekvensene og Qs på primær- og sekundærsiden identiske, slik at,

${\ displaystyle \ omega _ {0} = \ omega _ {0 \ mathrm {p}} = {1 \ over {\ sqrt {L _ {\ mathrm {p}} C _ {\ mathrm {p}}}}} = \ omega _ {0 \ mathrm {s}} = {1 \ over {\ sqrt {L _ {\ mathrm {s}} C _ {\ mathrm {s}}}}}}}$

og,

${\ displaystyle Q = Q _ {\ mathrm {p}} = {1 \ over L _ {\ mathrm {p}} G _ {\ mathrm {o}}} = Q _ {\ mathrm {s}} = {1 \ over L_ {\ mathrm {s}} G _ {\ mathrm {i}}}}$

hvor ω ₀ er resonansfrekvensen uttrykt i vinkelfrekvensenheter og abonnementene p og s refererer til henholdsvis komponenter på transformatorens primære og sekundære side.

Stage gevinst

Dobbeltjustert forsterkerfrekvensrespons for forskjellige koblingsverdier

Med de ovennevnte forutsetningene kan spenningsforsterkningen, A i ett trinn i forsterkeren uttrykkes som

${\ displaystyle A = A_ {0} {\ frac {2kQ} {4Q \ delta -i (1+k^{2} Q^{2} -4Q^{2} \ delta^{2})}}}}$

hvor

${\ displaystyle i}$er den imaginære enheten ,

${\ displaystyle A_ {0} = {\ frac {g _ {\ mathrm {m}}} {2 {\ sqrt {G _ {\ mathrm {o}} G _ {\ mathrm {i}}}}}}}}$

er den maksimale gevinsten som kan leveres av etappen, og

${\ displaystyle \ delta = {\ frac {\ omega -\ omega _ {0}} {\ omega _ {0}}}}$

er frekvensen uttrykt som fraksjonert frekvensavvik fra resonansfrekvensen.

Toppfrekvens

Med mindre enn kritisk kobling er det en topp i responsen som skjer ved resonans. Over kritisk kobling er det to topper ved frekvenser gitt av

${\ displaystyle \ delta _ {\ mathrm {H}}, \ delta _ {\ mathrm {L}} = \ pm {1 \ over 2Q} {\ sqrt {k^{2} Q^{2} -1} }}$

hvor δ _L og δ _H er henholdsvis de lave og høye frekvensene for toppene uttrykt som brøkavvik.

Med kritisk kobling eller over, når toppene maksimal forsterkning tilgjengelig fra forsterkeren.

Kritisk kobling

Kritisk kobling oppstår når de to toppene nettopp sammenfaller. Det vil si når

${\ displaystyle k^{2} Q^{2} -1 = 0}$

eller

${\ displaystyle k = {1 \ over Q}}$

Referanser

Bibliografi

• Bakshi, Uday A .; Godse, Atul P., Electronic Circuit Analysis , Technical Publications, 2009 ISBN  8184310471 .
• Bhargava, NN; Gupta, SC; Kulshreshtha DC, grunnleggende elektronikk og lineære kretser , Tata McGraw-Hill, 1984 ISBN  0074519654 .
• Chattopadhyay, D., Electronics: Fundamentals and Applications , New Age International, 2006 ISBN  8122417809 .
• Gulati, RR, Monochrome and Color Television , New Age International, 2007 ISBN  8122416071 .