5. Εναλλακτικοί τρόποι σύζευξης ενισχυτών συντονισμού Αναφέρθηκε σε προηγούμενη παράγραφο ότι, για τη σύζευξη συγκεκριμένου φορτίου σε ενισχυτή συντονισμού μπορεί να χρησιμοποιηθεί μετασχηματιστής, μέσω του οποίου επιτυγχάνεται η μεταβολή της στάθμης των εμπεδήσεων μεταξύ του πρωτεύοντος και του δευτερεύοντος του μετασχηματιστή. Ωστόσο, υπάρχουν και άλλοι τρόποι σύζευξης του φορτίου, που επιλέγονται κατά περίπτωση. Ένας απλός τρόπος για να επιτευχθεί η προσαρμογή των εμπεδήσεων είναι να χρησιμοποιηθεί ένας αυτομετασχηματιστής, που συνίσταται από έναν επαγωγό με μεσαία λήψη, (tapped inductor), όπως δεικνύεται στο σχ.5.8. Επίσης, για να αποφευχθούν οι ογκώδεις επαγωγοί, μπορεί να χρησιμοποιηθεί ο χωρητικός αυτομετασχηματιστής, (tapped capacitor), που δεικνύεται στο σχ.5.3. 5..α Σύζευξη ενισχυτών συντονισμού μέσω επαγωγού με μεσαία λήψη v o R R R = n Σχ.5.8 Επαγωγός με μεσαία λήψη Στον επαγωγό με μεσαία λήψη ο λόγος μετασχηματισμού ορίζεται ως, n = (5-44) Η ανακλώμενη αντίσταση είναι, R = n R (5-45) -3
Κεφ.3: Τηλεπικοινωνιακά Κυκλώματα Παράδειγμα 5.7 Κύκλωμα παράλληλου συντονισμού με επαγωγικό αυτομετασχηματιστή Για το κύκλωμα απλού συντονισμού του σχ.5.9.α θα προσδιοριστούν θεωρητικά και με εξομοίωση τα χαρακτηριστικά του συντονισμού. R3 k V 5mV 4mV Vac Vdc V n 9uH 3mV mv uh R.k mv α) V.MHz 3.MHz 5.MHz 7.MHz 9.MHz V() Frequency β) Σχ.5.9 Θεωρητικά n = = R = n R = KΩ R V = V = 5 mv R R 3 Vo = V = 5 mv n Rp = R // R 3 = 5 KΩ f o =,59 MHz π ( ) = Πίνακας 3 Εξομοίωση V = 5 mv V o = 5 mv f o =,59 MHz BW = πr f = p 3,4 KHz BW f = 3,4 KHz Q = Rp = 5 Q = 5-3
5..β Σύζευξη ενισχυτών συντονισμού μέσω χωρητικού αυτομετασηματιστή v o R = n R R Σχ.5.3 Χωρητικός αυτομετασχηματιστής Στον επαγωγό με μεσαία λήψη ο λόγος μετασχηματισμού ορίζεται ως, n = (5-46) Η ανακλώμενη αντίσταση είναι, R = n (5-47) R -33
Κεφ.3: Τηλεπικοινωνιακά Κυκλώματα Παράδειγμα 5.8 Κύκλωμα παράλληλου συντονισμού με επαγωγικό αυτομετασχηματιστή Για το κύκλωμα απλού συντονισμού του σχ.5.3.α θα προσδιοριστούν θεωρητικά και με εξομοίωση τα χαρακτηριστικά του συντονισμού. R3 5mV k 4mV Vac Vdc V uh n 3mV 9n R mv.k mv α) V.MHz 3.MHz 5.MHz 7.MHz 9.MHz V() Frequency β) Σχ.5.3 Θεωρητικά n = = R = n R = KΩ R V = V R R 5 mv = 3 Vo = V = 5 mv n Rp = R // R 3 = 5 KΩ 9 = = nf fo = =,677 MHz π Πίνακας 4 Εξομοίωση V = 5 mv V o = 5 mv f o =,677 MHz BW = πr f = p 35,4 KHz BW f = 35,4 KHz Q = Rp = 47,4 Q = 47, 4-34
5. Ενισχυτές διπλού συντονισμού Η δυνατότητα των ενισχυτών επιλογής να επιλέγουν συγκεκριμένη ζώνη διέλευσης μπορεί να βελτιωθεί αν συνδυαστούν δυο κυκλώματα συντονισμού. Αυτό σημαίνει ότι: ο ρυθμός πτώσης και ανόδου των αποκρίσεων συχνότητας των ενισχυτών είναι ταχύτερος, αφού η συνάρτηση μεταφοράς, που περιγράφει τα κυκλώματα διπλού συντονισμού είναι τετάρτου βαθμού. Το εύρος συχνοτήτων (BW) δυο συζευγμένων κυκλωμάτων συντονισμού είναι στενότερο του απλού κυκλώματος συντονισμού, {βλ. (4-8)}. με τη σύζευξη δύο ενισχυτών επιτυγχάνεται υψηλότερη ενίσχυση. V IN RB meg n Q R5.5k : f o = MHz 3.5n 4.5n RB meg Q R k 5Vdc Vac Vdc V u B547 B547 Σχ.5.3 Ενισχυτής διπλού συντονισμού με σύζευξη μετασχηματιστή και χωρητικού αυτομετασχηματιστή Στο σχ.5.3 δεικνύεται ένας ενισχυτής διπλού συντονισμού, στον οποίο υπάρχουν δυο κυκλώματα παράλληλου συντονισμού. Για την κατανόηση της λειτουργίας του ενισχυτή έχει επιλεγεί ο απλούστερος τρόπος πόλωσης των τρανζίστορ. Η σύζευξη των δυο συντονισμένων κυκλωμάτων γίνεται μέσω μετασχηματιστή. Η σύζευξη της δεύτερης ενισχυτικής βαθμίδας γίνεται μέσω χωρητικού αυτομετασχηματιστή. Για το συντονισμό των δύο συντονισμένων κυκλωμάτων, αυτά θα πρέπει να έχουν την ίδια ιδιοσυχνότητα f o και τον ίδιο παράγοντα ποιότητας Q, που ελέγχεται μέσω του αντιστάτη R 5. Η σύζευξη δύο βαθμίδων με το ίδιο BW συνεπάγεται απόκριση με στενότερο BW. Η απόκριση συχνότητας του ενισχυτή του σχ.5.3 δεικνύεται στο σχ.5.33. -35
Κεφ.3: Τηλεπικοινωνιακά Κυκλώματα.K.5K.K.5K KHz 3KHz.MHz 3.MHz MHz V()/V(IN) Frequency Σχ.5.33 Απόκριση ενισχυτή του σχ.5.?? Στο σχ.5.34 δεικνύεται μια άλλη δομή ενισχυτή διπλού συντονισμού. Σ αυτόν υπάρχουν ένα κύκλωμα παράλληλου συντονισμού και ένα κύκλωμα συντονισμού σειράς. Η σύζευξη των δυο βαθμίδων γίνεται μέσω του κυκλώματος συντονισμού σειράς. Τα δύο συντονισμένα κυκλωμάτα θα πρέπει να έχουν την ίδια ιδιοσυχνότητα f o και τον ίδιο παράγοντα ποιότητας Q, για σωστή ``ευθυγράμμιση``, (alignment). Η απόκριση συχνότητας του ενισχυτή του σχ.5.34 δεικνύεται στο σχ.5.35. V 5Vdc RB Meg R6 4 4 9.5n u RB Meg 3 3 Q3 R k IN s Q u 8.6p B547 Vac Vdc Vs u B547 Σχ.5.34 Ενισχυτής διπλού συντονισμού χωρίς μετασχηματιστή -36
.K.5K.K.5K KHz 3KHz.MHz 3.MHz MHz V()/V(IN) Frequency Σχ.5.35 Απόκριση ενισχυτή του σχ.5.34 Στον ενισχυτή του σχ.5.34 αποφεύγεται η χρήση μετασχηματιστή, ωστόσο, η ευθυγράμμιση των δυο κυκλωμάτων δεν είναι τόσο εύκολος, συγκριτικά με τον ενισχυτή του σχ.5.3. -37
Κεφ.3: Τηλεπικοινωνιακά Κυκλώματα Περίληψη Οι ενισχυτές επιλογής είναι ζωνοδιαβατά κυκλώματα, που επιτρέπουν τη διέλευση στενής περιοχής συχνοτήτων. Η περιοχή αυτή ονομάζεται ζώνη διέλευσης. Μέσα στη ζώνη διέλευσης η φάση μεταβάλλεται περίπου γραμμικά. Η μελέτη των ενισχυτών συντονισμού γίνεται με βάση τη συνάρτηση μεταφοράς τους. Η συνάρτηση μεταφοράς ενισχυτή συντονισμού είναι τουλάχιστον δευτέρου βαθμού ως προς τη συχνότητα. Χαρακτηριστικά μεγέθη σ έναν ενισχυτή συντονισμού είναι η κεντική συχνότητα συντονισμού f o, το εύρος της ζώνης διέλευσης BW f, και ο παράγων ποιότητας συντονισμού Q. Ο παράγων ποιότητας Q χαρακτηρίζει την οξύτητα συντονισμού. Όσο μεγαλύτερος είναι ο παράγων ποιότητας, τόσο οξύτερος είναι ο συντονισμός, δηλαδή, τόσο πιο στενή είναι η ζώνη διέλευσης συχνοτήτων. Υψηλές τιμές Q επιτυγχάνονται από κυκλώματα, που διαθέτουν τουλάχιστον ένα ζεύγος συζυγών μιγαδικών πόλων, που βρίσκονται πολύ κοντά στον φανταστικό άξονα στο αριστερό τμήμα του μιγαδικού επιπέδου s. Πόλοι υψηλού Q επιτυγχάνονται από R κυκλώματα συντονισμού ή από ενεργά R ή R κυκλώματα, στα οποία εφαρμόζεται ανατροφοδότηση. Τα πιο βασικά παθητικά κυκλώματα, που χρησιμοποιούνται σε ενισχυτές συντονισμού, είναι τα κυκλώματα παράλληλου συντονισμού ή συντονισμού σειράς. Για την πραγματοποίηση αποκρίσεων με υψηλότερη επιλεκτικότητα ως προς τη συχνότητα και υψηλή ενίσχυση, χρησιμοποιούνται ενισχυτές διπλού συντονισμού. Η εφαρμογή ανατροφοδότησης σε ενισχυτές συντονισμού, πρέπει να είναι ιδιαίτερα υπολογισμένη για να μην οδηγηθούν τα κυκλώματα σε αστάθεια. -38
ΑΣΚΗΣΕΙΣ 5. Να προσδιοριστεί η μεταβατική απόκριση του κυκλώματος, που περιγράφεται από τη συνάρτηση μεταφοράς, H(s) = s 8s 5 Απ.: vo (t) =,5e 5. Να προσδιοριστεί η φυσική απόκριση του κυκλώματος το σχ.5.α. R = = 3t,5e 5t Vi =, Vo - Σχ.5.Α.5t Απ.: h(t) = e sin(,998t) 5.3 Να προσδιοριστούν τα χαρακτηριστικά μεγέθη συντονισμού, ω ο, BW, Q, για το κύκλωμα παράλληλου συντονισμού του σχ.5.α3. R = v i r = =, Σχ.5.Α3 - v o = (r / R) r Απ.: ω o =, BW = ( ), Q = R 4 r ( R ) r 5.4 Να προσδιοριστούν τα χαρακτηριστικά μεγέθη συντονισμού, ω ο, BW, Q, v omax, για το κύκλωμα παράλληλου συντονισμού του σχ.5.α3. R R s v o v i R Απ.: Σχ.5.Α4 ω o =, BW =, R Q = R, v omax R =, R R s R = R s // R -39
Κεφ.3: Τηλεπικοινωνιακά Κυκλώματα 5.5 Να προσδιοριστούν τα χαρακτηριστικά μεγέθη συντονισμού, ω ο, BW, Q, v omax, για τον ενισχυτή συντονισμού του σχ.5.α5. Θεωρείστε τους πυκνωτές a, b και E ως βραχυκυκλώματα και αγνοείστε την επίδραση της R B. Δίνονται, g m = ms, R i =7 KΩ. V Vdc n u RB Meg b a Q u u B547 Vac Vdc V RE k E u R k Σχ.5.Α5 5.6 Να προσδιοριστούν τα χαρακτηριστικά μεγέθη συντονισμού, ω ο, BW, Q, v omax, για τον ενισχυτή συντονισμού του σχ.5.α6. Θεωρείστε τον πυκνωτή, ως βραχυκύκλωμα και αγνοείστε την επίδραση της R Ε. Δίνονται, R i = Ω, = μh, = nf. V 5Vdc V3 5Vdc RE 4k R k IN B547 u Vac Vdc V R k Σχ.5.Α6-4
5.7 Να προσδιοριστούν τα χαρακτηριστικά μεγέθη συντονισμού, ω ο, BW, Q, v omax, για τον ενισχυτή συντονισμού του σχ.5.α7. Θεωρείστε τον πυκνωτή b, ως βραχυκύκλωμα και αγνοείστε την επίδραση της R B. Δίνονται, g m = ms, R i =7 ΚΩ. RB meg n u 3/ V Vdc R k IN b Q u B547 Vac Vdc Vs RE k E u Σχ.5.Α7 5.8 Να προσδιοριστούν τα χαρακτηριστικά μεγέθη συντονισμού, ω ο, BW, Q, v omax, για τον ενισχυτή συντονισμού του σχ.5.α8. Θεωρείστε τον πυκνωτή, ως βραχυκύκλωμα και αγνοείστε την επίδραση της R B. Δίνονται, g m = ms, R i =7 ΚΩ. V IN RB meg n Q R5.5k : f o = MHz 3.5n 4.5n Vo R K Vdc Vac Vdc V u B547 Σχ.5.Α8-4