ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΣΥΝΤΟΝΙΖΟΜΕΝΟΙ ΕΝΙΣΧΥΤΕΣ...2

Ειδικά Θέματα Ηλεκτρονικών 1 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4... ΣΥΝΤΟΝΙΖΟΜΕΝΟΙ ΕΝΙΣΧΥΤΕΣ... Γενικά... 4.1 Συντονιζόμενοι ενισχυτές με μεμονωμένα στοιχεία...3 4.1.1 Το κύκλωμα του παράλληλου συντονισμού...3 4.1. Απλά συντονιζόμενος ενισχυτής με BJT...10 4.1.3 Απλά συντονιζόμενος ενισχυτής με JFET ή MOSFET...15 4.1.4 Απλά συντονιζόμενος ενισχυτής με MOSFET διπλής πύλης...17 4. Σύζευξη συντονιζόμενων ενισχυτών...18 4..1 Επαγωγική σύζευξη με συντονιζόμενο το πρωτεύον...19 4.. Eπαγωγική σύζευξη με αυτομετασχηματιστή...1 4..3 Χωρητική σύζευξη... 4..4 Σύζευξη με διπλά συντονιζόμενο μετασχηματιστή σύζευξης...4 4.3 Διπλά συντονιζόμενοι και πολυβάθμιοι ενισχυτές...6 4.3.1 Πολυβάθμιοι ενισχυτές με σύγχρονο συντονισμό...7 4.3. Πολυβάθμιοι ενισχυτές με κλονιζόμενο συντονισμό...30 4.3.3 Συντονιζόμενοι ενισχυτές με κρυστάλλους και επιφάνειες ακουστικού κύματος...3 4.4 Ενισχυτές Υ.Σ σε τάξη C και D....36 4.4.1 Ενισχυτές Υ.Σ σε τάξη C...36 4.4. Ενισχυτές τάξης D...39 4.5 Κυκλώματα προσαρμογής προς κεραία...4 Υπολογιστικές ασκήσεις...48

Συντονιζόμενοι ενισχυτές ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΣΥΝΤΟΝΙΖΟΜΕΝΟΙ ΕΝΙΣΧΥΤΕΣ Γενικά Ο ι συντονιζόμενοι ή αλλιώς επιλεκτικοί ενισχυτές χρησιμοποιούνται για να ενισχύσουν επιλεκτικά μια περιοχή συχνοτήτων από το πλήθος των συχνοτήτων που φτάνουν στην είσοδό τους. Αυτοί βρίσκουν εφαρμογές στα κυκλώματα του ραδιοφώνου, της τηλεόρασης ή άλλων τηλεπικοινωνιακών συστημάτων εκπομπής και λήψης. Ο κύριος ρόλος σε συστήματα επιλογής των ραδιοφωνικών ή τηλεοπτικών σταθμών που εκπέμπουν σε διάφορες συχνότητες, είναι η επιλογή της συχνότητας εκπομπής ενός μόνο σταθμού, και απόρριψη όλων των άλλων συχνοτήτων που εκπέμπουν οι άλλοι σταθμοί. Κάθε σταθμός εκτός από την κεντρική συχνότητα που εκπέμπει και είναι διαμορφωμένη με διάφορους τρόπους (Α.Μ, F.M, κ.α), εκπέμπει και άλλες διπλανές συχνότητες που μεταφέρουν την πληροφορία και έχουν περιορισμένο εύρος. Επομένως, απαιτείται ένας ενισχυτής που να ενισχύει επιλεκτικά μόνο μια μικρή περιοχή συχνοτήτων. Αυτή η περιοχή είναι το εύρος ζώνης συχνοτήτων του ενισχυτή. Γι αυτή την περιοχή συχνοτήτων πρέπει η ενίσχυση του σήματος στην έξοδο του συντονιζόμενου ενισχυτή να είναι μεγάλη, ενώ για συχνότητες εκτός αυτής πρέπει η ενίσχυση του σήματος στην έξοδό του να είναι θεωρητικά μηδέν. Σε αυτή την περίπτωση, μιλάμε για ιδανικά συντονιζόμενο ενισχυτή, ο οποίος απαιτεί ένα κύκλωμα ιδανικού συντονισμού που δεν υπάρχει στην πράξη. Στο σχ. 4.1.1 φαίνεται η απόκριση συχνότητας ενός ενισχυτή με ιδανικά συντονιζόμενο κύκλωμα (ιδανικός συντονισμός). Σε αυτό διακρίνονται, η ζώνη διέλευσης και οι δυο ζώνες αποκοπής (πάνω και κάτω από τη ζώνη διέλευσης). Στην πράξη δεν έχουμε τη δυνατότητα απότομης αποκοπής κάποιων συχνοτήτων, αλλά την προοδευτική αποκοπή τους, που έχει ένα πραγματικό (πρακτικό) κύκλωμα συντονισμού. Στο ίδιο σχήμα φαίνεται η απόκριση συχνότητας ενός ενισχυτή, ο οποίος χρησιμοποιεί πραγματικό κύκλωμα συντονισμού (πραγματικός συντονισμός). Σε τέτοια κυκλώματα το μέγιστο πλάτος σήματος στα άκρα τους λαμβάνεται στη συχνότητα συντονισμού f ο, ενώ στις συχνότητες πάνω και κάτω από αυτή μειώνεται προοδευτικά μέχρι να μηδενιστεί. Στα σημεία όπου το πλάτος του σήματος πέφτει στα 0,707 της μέγιστης τιμής του (εξασθένηση 3dB) συναντάμε δυο συχνότητες. Αυτές οι δύο συχνότητες είναι η ανώτερη και η κατώτερη συχνότητα αποκοπής και ορίζουν τα όρια συχνοτήτων που ενισχύει ο συντονιζόμενος ενισχυτής. Την ανώτερη συχνότητα αποκοπής τη

Ειδικά Θέματα Ηλεκτρονικών 3 συμβολίζουμε με f ή f H και την κατώτερη συχνότητα αποκοπής τη συμβολίζουμε με f 1 ή f L. Το εύρος ζώνης στα πρακτικά κυκλώματα συντονισμού ορίζεται από τη διαφορά αυτών των δυο συχνοτήτων. BW= f - f 1 ( 4.1.1 ) Όσο πιο απότομη είναι η κλίση της απόκρισης συχνότητας, τόσο περισσότερο πλησιάζουμε τον ιδανικό συντονισμό. Η συχνότητα f 0 είναι η συχνότητα συντονισμού ή κεντρική συχνότητα. Σ αυτή την περίπτωση, η συχνότητα του σήματος είναι ίση με την ιδιοσυχνότητα του συντονιζόμενου κυκλώματος. 1, Ζώνη αποκοπής Ζώνη διέλευσης Ζώνη αποκοπής 1 0,8 0,6 0,4 0, 0 Iδανικός συντονισμός f1 fo f Πραγματικός συντονισμός Σχήμα 4.1.1 Απόκριση συχνότητας ιδανικού και πραγματικού συντονισμού 4.1 Συντονιζόμενοι ενισχυτές με μεμονωμένα στοιχεία 4.1.1 Το κύκλωμα του παράλληλου συντονισμού Το κύκλωμα που χρησιμοποιείται ως κύκλωμα επιλογής συχνοτήτων είναι το κύκλωμα του παράλληλου συντονισμού. Το κύκλωμα του παράλληλου συντονισμού φαίνεται στο σχ. 4.1.. Η αντίσταση δηλώνει την αντίσταση απωλειών του σύρματος περιέλιξης του πηνίου.

Συντονιζόμενοι ενισχυτές 4 Σχήμα 4.1. Κύκλωμα παράλληλου συντονισμού Η συχνότητα συντονισμού, κατά προσέγγιση, δίνεται από τη σχέση (4.1.) ΣΥΧΝΟΤΗΤΑ ΣΥΝΤΟΝΙΣΜΟΥ 1 0, 159 f 0 = = π LC LC ( 4.1. ) Το συντονιζόμενο κύκλωμα παρουσιάζει ένα συντελεστή ποιότητας (quality factor), που συμβολίζεται με Q και υπολογίζεται από τη σχέση ( 4.1.3 ). ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΗΣ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΤΟΥ ΚΥΚΛΩΜΑΤΟΣ ω o L 1 Q= = ω C o ( 4.1.3 ) Η αντίσταση του κυκλώματος κατά το συντονισμό δίνεται από τη σχέση ( 4.1.4 ) ΑΝΤIΣΤΑΣΗ ΣΥΝΤΟΝΙΣΜOY = ω LQ= Q r o ( 4.1.4 ) Η σύνθετη αντίσταση του κυκλώματος για οποιαδήποτε συχνότητα υπολογίζεται από τη σχέση ( 4.1.5)

Ειδικά Θέματα Ηλεκτρονικών 5 r Z 1 Z = η = 1+ ( Qδ ) r 1+ ( Q δ ) ( 4.1.5 ) όπου δ, η σχετική απόκλιση συχνότητας που υπολογίζεται από τη σχέση (4.1.6). δ = f f o ( 4.1.6 ) f o όπου, f οποιαδήποτε συχνότητα και f 0 η συχνότητα συντονισμού. Η σύνθετη αντίσταση του κυκλώματος πέφτει στα 0,707 της μέγιστης τιμής της, όταν (Q δ) =1 ή ισοδύναμα, όταν δ=± 1/ (Q). Aν f 1 και f οι συχνότητες στις οποίες η σύνθετη αντίσταση πέφτει στα 0,707 της μέγιστης τιμής, τότε ορίζουμ ε ως εύρος ζώνης συχνοτήτων τη σχέση (4.1.7). ΕΥΡΟΣ ΖΩΝΗΣ ΣΥΧΝΟΤΗΤΩΝ BW f o = Q ( 4.1.7) Στη σχέση (4.1.7) παρατηρούμε, ότι το εύρος ζώνης συχνοτήτων είναι αντίστροφα ανάλογο του συντελεστή ποιότητας Q του κυκλώματος. Όσο μεγαλύτερος είναι ο συντελεστής ποιότητας Q, τόσο μικραίνει το εύρος ζώνης συχνοτήτων. Στο σχ. 4.1.3 φαίνεται η απόκριση συχνότητας του κυκλώματος συντονισμού για διαφορετικές τιμές του συντελεστή ποιότητας Q. Ένα συντονιζόμενο κύκλωμα με υψηλό Q παρουσιάζει μια πολύ καλή απόρριψη αρμονικών συχνοτήτων κα ι υψηλή απόδοση, συγκρινόμενο με έ να κύκλωμα με χαμηλό συντελεστή ποιότητας Q. Επίσης, παρατηρούμε, ότι, όσο ο συντελεστής ποιότητας Q μεγαλώνει, τόσο οι καμπύλες γύρω από τη συχνότητα συντονισμού γίνονται οξύτερες προς τα πάνω, κοντά στην κεντρική συχνότητα. Το συντονιζόμενο κύκλωμα παρουσιάζει μεγαλύτερη επιλεκτικότητα στις συχνότητες γύρω από τη συχνότητα συντονισμού f o. Επομένως, η επιλεκτικότητα (selectivity) είναι ανάλογη του συντελεστή ποιότητας Q. Όσο μεγαλύτερος είναι ο συντελεστής ποιότητας Q, τόσο μεγαλύτερη είναι η επιλεκτικότητα του κυκλώματος. Η επιλεκτικότητα του κυκλώματος, ως έννοια, δηλώνει κατά πόσο ένα συντονιζόμενο κύκλωμα μπορεί να επιλέγει ένα ραδιοφωνικό ή ένα τηλεοπτικό σταθμό και να απορρίπτει τους άλλους. Η απόρριψή τους σημαίνει τη

Συντονιζόμενοι ενισχυτές 6 μη παρεμβολή τους στην ομαλή ακρόαση ενός ραδιοφωνικού σταθμού παρακολούθηση ενός τηλεοπτικού σταθμού. ή την 1, Ζ/r 1 0,8 0,6 0,4 Q=10 Q=5 Q=50 0, Q=100 0 Q=00-0,05-0,04-0,03-0,0-0,01 0 0,01 0,0 0,03 0,04 0,05 Σχετική απόκλιση συχότητας δ Σχήμα 4.1.3 Η επίδραση του Q στο εύρος ζώνης συχνοτήτων Η ανώτερη και η κατώτερη συχνότητα υπολογίζονται από τη σχέση ( 4.1. 8 ). ΚΑΤΩΤΕΡΗ BW f1 = f0 ΑΝΩΤΕΡΗ BW f = f0 + ( 4.1.8 ) Αν παράλληλα στο συντονιζόμενο κύκλωμα τοποθετήσουμε μια αντίσταση p, τότε στη συχνότητα συντονισμού η σύνθετη αντίσταση του κυκλώματος δίνεται από τη σχέση (4.1.9). ' r = p p r + r (4.1.9) Η αντίσταση αυτή μειώνει το συντελεστή ποιότητας Q. Το νέο μέγεθος Q e ονομάζεται ενεργός συντελεστής ποιότητας ή συντελεστής ποιότητας με φορτίο. Αυτός υπολογίζεται από τη σχέση (4.1.10).

Ειδικά Θέματα Ηλεκτρονικών 7 ΕΝΕΡΓΟΣ ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΗΣ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ' ' r r Qe = Q = ω L r 0 ( 4.1.10 ) Αφού μεταβάλλεται ο συντελεστής ποιότητας μεταβάλλεται και το εύρος ζώνης συχνοτ ήτων, το οποίο δίνεται από τη σχέση ( 4.1.11 ). BW'= f 0 (4.1.11) Q e Αφού το Q e μειώνεται, το εύρος ζώνης συχνοτήτων αυξάνεται, με αντίστοιχη μείωση της επιλεκτικότητας του κυκλώματος. Σε αρκετές εφαρμογές κρίνεται απαραίτητη η μείωση της επιλεκτικότητας με αντίστοιχη αύξηση του εύρους ζώνης συχνοτήτων. Για το λόγο αυτό, απαιτείται μια σχέση μεταξύ του BW και του BW. Επίσης, απαιτείται μια σχέση για τον υπολογισμό της παράλληλης αντίστασης p για να έχουμε το επιθυμητό αποτέλεσμα. Η σχέση που συνδέει το BW με το BW είναι : ΣΧΕΣΗ ΜΕΤΑΞΥ BW ΚΑΙ BW ' r BW = BW 1 + p ( 4.1.1 ) Επιλύνοντας τη σχέση (4.1.1) ως προς p προκύπτει η σχέση (4.1.13) p r = ' BW 1 BW (4.1.13) Για να αυξήσουμε την επιλεκτικότητα ενός συντονιζόμενου κυκλώματος, ως αντιστάθμιση στην παράλληλη αντίσταση, χρησιμοποιούμε το βελτιωμένο κύκλωμα του σχ.4.1.4. Στο κύκλωμα αυτό επεκτείνουμε την αυτεπαγωγή L για να αυξήσουμε το συντελεστή ποιότητας του κυκλώματος. Η αντίσταση 0 παρεμβάλλεται πλέον σε ένα τμήμα της ολικής αυτεπαγωγής. Έτσι, η αντίσταση 0 δεν τίθεται παράλληλα στην ολική σύνθετη αντίσταση του συντονιζόμενου κυκλώματος με αποτέλεσμα την αύξηση του συντελεστή ποιότητας Q e.

Συντονιζόμενοι ενισχυτές 8 Σχήμα 4.1.4 Βελτίωση της επιλεκτικότητας ενός συντονιζόμενου κυκλώματος Για να συντονίζει αυτό το κύκλωμα στην ίδια συχνότητα με εκείνο του σχ. 4.1. πρέπει, αν αυξηθεί η αυτεπαγωγή L κατά ν φορές η χωρητικότητα C να μειωθεί κατά ν φορές. Δηλαδή, να ισχύει η ισότητα ( 4.1.14 ). f 0 0, 159 0, 159 = = ( 4.1.14 ) LC ( L+ L ' ) C ' Παράδειγμα 4.1.1 Ένα συντονιζόμενο κύκλωμα θέλουμε να συντονίζει στη συχνότητα των 455 ΚΗz. Το πηνίο που χρησιμοποιούμε έχει αυτεπαγωγή L=1mH με συντελεστή ποιότητας Q=100 στην ίδια συχνότητα. Να υπολογιστούν : (α) Η τιμή του πυκνωτή C. (β) Το εύρος ζώνης συχνοτήτων. (γ) Η ανώτερη και η κατώτερη συχνότητα αποκοπής. (δ) Η σύνθετη αντίσταση του κυκλώματος στις συχνότητες 400 ΚΗz και 500 ΚΗz. (ε) Επίσης, να υπολογιστεί η τιμή της αντίστασης p, που πρέπει να τοποθετήσουμε παράλληλα στο κύκλωμα, για να αυξήσουμε το εύρος ζώνης συχνοτήτων στα 9ΚΗz. (α) Από τη σχέση ( 4.1. ) έχουμε: Λύση

Ειδικά Θέματα Ηλεκτρονικών 9 f ( ) 0159, 0159, (, 0159) 0, 058 1 = ( f ) = C = C= = 1 10 F= 1pF LC LC Lf 3 3 ( ) ( 10 ) ( 455 10 ) 0 0 0 Η πλησιέστερη τυποποιημένη τιμή είναι 10 pf. (β) Από τη σχέση ( 4.1.7 ) έχουμε: BW f KHz 0 455 = = = 455, KHz Q 100 (γ) Από τη σχέση (4.1.8) έχουμε: f1 455 455, = = 45, 75 f 455 455, = + = 457, 75 (δ) Από τις σχέσεις (4.1.4), (4.1.5) και (4.1.6) για 400 ΚΗz έχουμε : 3 3 r = ω 0LQ= π f0lq= 6, 8 ( 455 10 ) ( 10 ) 100 = 85. 740 Ω 86 KΩ δ = f f f o o = 400 455 = 01, 455 r 85740. Z = = = 11895. Ω 119, KΩ + ( ) +[ (, )] 1 Qδ 1 100 01 για 500 ΚΗz έ έχουμε : f fo 500 455 δ = = = 01, f o 455 r 85. 740 Z = = = 1469. Ω 143, KΩ + 1 ( Qδ ) 1 +[ 100 (,) 01] (ε) Από τη σχέση ( 4.1.13 ) έχουμε

Συντονιζόμενοι ενισχυτές 10 p r 85740. = = = 9 KΩ ' BW 9 1 1 BW 455, Η πλησιέστερη τυποποιημένη τιμή είναι 300 ΚΩ. 4.1. Απλά συντονιζόμενος ενισχυτής με BJT Στους συντονιζόμενους ενισχυτές τη θέση της αντίστασης φορτίου την καταλαμβάνει το συντονιζόμενο κύκλωμα, όπως φαίνεται στο σχ. 4.1.5 (α). Οι πυκνωτές C 1 και C 3 είναι πυκνωτές σύζευξης με την προηγούμενη και την επόμενη βαθμίδα. Οι αντιστάσεις 1 και πολώνουν τη βάση του Q 1. Οι πυκνωτές C E και C είναι πυκνωτές απόζευξης. Ο σκοπός τους είναι να κρατάνε σταθερή τη συνεχή τάση στα σημεία που εφαρμόζονται βραχυκυκλώνοντας την a.c συνιστώσα. Σχήμα 4.1.5 Απλά συντονιζόμενος ενισχυτής με BJT Συχνότητα συντονισμού Η συχνότητα συντονισμού δίνεται από τη σχέση ( 4.1. ) Απολαβή του συντονιζόμενου ενισχυτή

Ειδικά Θέματα Ηλεκτρονικών 11 Στο ισοδύναμο κύκλωμα εξόδου του σχ.4.1.5(β), παράλληλα στο συντονιζόμενο κύκλωμα, υπάρχει η αντίσταση εξόδου του τρανζίστορ 0 =1/hoe. Στη συχνότητα συντονισμού η σύνθετη αντίσταση υπολογίζεται από τη σχέση (4.1.9). Επομένως, η απολαβή τάσης του κυκλώματος για το ισοδύναμο h παραμέτρων δίνεται από τη σχέση (4.1.15). A h v = fe h r ie (4.1.15) Η απολαβή τάσης σε db, υπολογίζεται από τη σχέση (4.1.16). Α v(db)=0 λογ 10 Α v (4.1.16) Ενώ, για το ισοδύναμο με r παραμέτρους δίνεται από τη σχέση (4.1.17). A v = r r e (4.1.17) όπου, r e η δυναμική αντίσταση εκπομπού, που υπολογίζεται από τη σχέση (4.1.18) r e = 0, 06 (4.1.18) I c όπου, I c το d.c ρεύμα συλλέκτη. Απόκριση συχνότητας του ενισχυτή Εφόσον η απολαβή τάσης είναι ανάλογη της σύνθετης αντίστασης του συντονιζόμενου κυκλώματος, έπεται, ότι η απόκριση συχνότητας θα έχει τη μορφή του σχ. 4.1.3. Ανάλογα με την τιμή του ενεργού συντελεστή ποιότητας που προκύπτει από τη σχέση (4.1.10) έχουμε την αντίστοιχη απόκριση. Αν επιθυμούμε τη μείωση του εύρους ζώνης του ενισχυτή, τότε μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε τις σχέσεις (4.1.1) και (4.1.13) για τον υπολογισμό των αντίστοιχων μεγεθών. Υπολογισμός των συχνοτήτων αποκοπής

Συντονιζόμενοι ενισχυτές 1 Οι συχνότητες αποκοπής εξαρτώνται από τα στοιχεία του συντονιζόμενου κυκλώματος. Συνεπώς, οι συχνότητες αποκοπής υπολογίζονται από τη σχέση (4.1.19). f BW = f Q 1 0 0 e Όπου, το Q e υπολογίζεται από τη σχέση (4.1.10). BW και f = f + (4.1.19) Q e Παράδειγμα 4.1. Ο ενισχυτής του σχ. 4.1.5 θέλουμε να συντονιστεί σε μια κεντρική συχνότητα f 0 =455KHZ. To πηνίο L έχει αυτεπαγωγή 1mH και ο συντελεστής ποιότητας είναι Q=100 για την ίδια συχνότητα. Οι h παράμετροι του τρανζίστορ είναι : h ie =KΩ, h fe =50 και h oe =10μS. Να υπολογιστούν τα ακόλουθα: (α) Ο πυκνωτής του συντονιζόμενου κυκλώματος. (β) Η απολαβή τάσης στο συντονισμό σε db. (γ) Το εύρος ζώνης συχνοτήτων και οι συχνότητες αποκοπής. (δ) Αν η έξοδος του ενισχυτή συνδεθεί διαμέσου πυκνωτή σύζευξης με άλλη βαθμίδα, η οποία έχει αντίσταση εισόδου 10ΚΩ, πόση θα είναι η απολαβή τάσης και το εύρος ζώνης συχνοτήτων; Λύση (α) Aπο τη σχέση (4.1.) επιλύουμε ως προς C και έχουμε: f ( ) 0159, 0159, (, 0159) (, 0159) 1 = ( f ) = C = C= = 1 10 F= 1pF LC LC Lf 3 3 ( ) ( 10 ) ( 455 10 ) 0 0 0 Η πλησιέστερη τυποποιημένη τιμή είναι 10pF. ( β ) Από τη σχέση (4.1.4) έχουμε: 3 3 r = ω olq=π f0 LQ = 6, 8 455 10 10 100 = 86 KΩ p 1 1 = = = h 10 10 0 6 oe = 100KΩ

Ειδικά Θέματα Ηλεκτρονικών 13 Από τη σχέση (4.1.9) έχουμε: r = p p r + r 100 86 = = 74KΩ 100 + 86 Από τη σχέση (4.1.15) έχουμε: A h r v = fe = 50 74 = 1850 h ie Από τη σχέση (4.1.16) έχουμε: Α v(db)=0 λογ 10 Α v =0 λογ 10 (1850)=0x3,67 = 65,34 db (γ) Από τη σχέση (4.1.10) έχουμε: Q e = Q r 100 74 = 86 r 6 Από τη σχέση (4.1.11) έχουμε: BW f 0 455 ' = = = 17, 5 KHz 6 Q e Από τη σχέση (4.1.19) έχουμε: f f BW = f Q 1 0 BW f 455 17, = + 5 = + = 463, 75 Q 0 e e 455 17, = - 5 = 446, 5 (δ) Η καινούρια τιμή της ολικής αντίστασης συντονισμού είναι : p 0 i 100 10 ' r p = = = 909, KΩ r = = + 100 + 10 + 0 i r p 86 9, 09 86 + 9, 09 = 881, KΩ Η απολαβή τάσης είναι :

Συντονιζόμενοι ενισχυτές 14 A v = 50 881, = 0 H απολαβή τάσης σε db, είναι: A v ( db) = 0 λογ ( 0)= 0, 34 = 46, 84 db Από τη σχέση (4.1.1) έχουμε 10 BW ' f 0 = 1+ Q r p, = 455 + 86 1 = 147 7 100 909, KHz Παράδειγμα 4.1.3 Αν η έξοδος του κυκλώματος του σχ.4.1.5 συνδέεται με μια άλλη βαθμίδα, να υπολογιστεί η αντίσταση εισόδου της έτσι, ώστε το εύρος ζώνης να αυξηθεί στα 30ΚΗz. Από τη σχέση ( 4.1.13 ) έχουμε : Λύση p r = ' BW 1 BW = 86 = 5113, KΩ 30 1 455, Η προηγούμενη αντίσταση, είναι η ολική αντίσταση των παράλληλων αντιστάσεων 0 και i. Επομένως, η αντίσταση i υπολογίζεται ως εξής: 1 1 1 1 1 1 0 p 100 5113, = + = i = = = 104, 6ΚΩ 100 5113, p 0 i i p 0 0 p Παράδειγμα 4.1.4 Αν στο κύκλωμα του σχήματος 4.1.5 η χωρητικότητα C cb =pf και η παρασιτική χωρητικότητα του συλλέκτη είναι C w =10pF, να υπολογιστεί ξανά η χωρητικότητα C του κυκλώματος συντονισμού.

Ειδικά Θέματα Ηλεκτρονικών 15 Λύση Οι χωρητικότητες C cb και C w, είναι παράλληλες στη χωρητικότητα C. Η συνολική χωρητικότητα στο παράδειγμα 4.1. υπολογίστηκε σε 1pF. Εφόσον η συνολική χωρητικότητα είναι 1pF, η νέα τιμή της χωρητικότητας C είναι C =1- (10+)=110pF. 4.1.3 Απλά συντονιζόμενος ενισχυτής με JFET ή MOSFET Tα πλεονεκτήματα των τρανζίστορ FET γενικά, έναντι των BJT είναι, ότι εισάγουν λιγότερο θόρυβο και έχουν μεγαλύτερη σταθερότητα στις μεταβολές της θερμοκρασίας. Το σημαντικότερο όμως, είναι, ότι έχουν πάρα πολύ υψηλή σύνθετη αντίσταση εισόδου και ελάχιστα επηρεάζουν την επιλεκτικότητα του συντονιζόμενου κυκλώματος που βρίσκεται στην έξοδο της προηγούμενης βαθμίδας. Τα μειονεκτήματά τους είναι η χαμηλή τους απολαβή και οι χαμηλότερες συχνότητες λειτουργίας. Τα MOSFET και τα MOSFET διπλής πύλης μπορούν να λειτουργήσουν σε μεγαλύτερες συχνότητες. Στο σχ.4.1.6 φαίνεται ένας συντονιζόμενος ενισχυτής, ο οποίος χρησιμοποιεί ως ενεργό στοιχείο ένα JFET. Η συχνότητα συντονισμού υπολογίζεται από τη σχέση (4.1.). Απολαβή τάσης Η απολαβή τάσης ενός συντονιζόμενου ενισχυτή με JFET ή με MOSFET δίνεται από τη σχέση (4.1.0) A v ' = gm (4.1.0) r όπου, g m η διαγωγιμότητα και r η ολική αντίσταση απαγωγού (drain). H απόκριση συχνότητας και οι συχνότητες αποκοπής υπολογίζονται με τις ίδιες σχέσεις που χρησιμοποιούμε στους συντονιζόμενους ενισχυτές με BJT.

Συντονιζόμενοι ενισχυτές 16 Σχήμα 4.1.6 Συντονιζόμενος ενισχυτής με JFET Παράδειγμα 4.1.5 Ο ενισχυτής του σχ.4.1.6 θέλουμε να συντονίζεται σε μια κεντρική συχνότητα f ο =455KHZ. To πηνίο L έχει αυτεπαγωγή 1mH και συντελεστή ποιότητας στην ίδια συχνότητα Q=100. Oι παράμετροι του JFET είναι g m =1500μS και r d =100KΩ. Να υπολογιστούν: (α) Η απολαβή τάσης του ενισχυτή σε db. (β) Το εύρος ζώνης συχνοτήτων και οι συχνότητες αποκοπής. Από τη σχέση (4.1.4) έχουμε: Λύση 3 3 = ω LQ= π f LQ= 6, 8 ( 455 10 ) 10 100 = 86KΩ r o p = r d =100KΩ Από τη σχέση (4.1.9) έχουμε: 0 r = p p r + r 100 86 = = 74KΩ 100 + 86

Ειδικά Θέματα Ηλεκτρονικών 17 Από τη σχέση (4.1.0) έχουμε: ' 6 3 Av = gmr = ( 1500 10 ) ( 74 10 ) = 111 Από τη σχέση (4.1.16) έχουμε: A ( v db ) = 0 λογ ( 111)= 0, 04 = 4, db 10 0 9 (γ) Από τη σχέση (4.1.10) έχουμε: Q e = Q r 100 74 = 86 r 6 Από τη σχέση (4.1.11) έχουμε: BW f 0 455 ' = = = 17, 5 KHz Q e 6 Από τη σχέση (4.1.19) έχουμε: BW f1 = f0 =455-17,5 Q e =446,5 BW 17,5 f = f0 + = 455 + = 463, 75 Q e Q Παρατήρηση : Με τα ίδια δεδομένα στο κύκλωμα εξόδου των συντονιζόμενων ενισχυτών με BJT και JFET, έχουμε πολύ μεγαλύτερη απολαβή τάσης στον ενισχυτή με BJT. 4.1.4 Απλά συντονιζόμενος ενισχυτής με MOSFET διπλής πύλης Στο σχ.4.1.7 φαίνεται ένας απλά συντονιζόμενος ενισχυτής με ΝΜΟS διπλής πύλης. Σχετικά με το NMOS διπλής πύλης ασχοληθήκαμε στο δεύτερο κεφάλαιο (βλέπε.3.4). Το ισοδύναμο κύκλωμα στο a.c είναι ίδιο με εκείνο των JFET. Επομένως, ο τρόπος υπολογισμού των μεγεθών του κυκλώματος είναι ίδιος με εκείνον των JFET της προηγούμενης υποενότητας. Το σήμα εισόδου οδηγείται διαμέσου ενός μετασχηματιστή αντιστάσεων Τ 1 στην πύλη G 1. Η πύλη G 1 έχει αρνητικότερο δυναμικό από την πηγή ( source ), λόγω του κυκλώματος αυτοπόλωσης S C S. H πύλη G πολώνεται με θετικό δυναμικό από το διαιρέτη τάσης 1 και. Οι πυκνωτές απόζευξης C 1, C s και C 3, κρατάνε σταθερές τις

Συντονιζόμενοι ενισχυτές 18 πολώσεις στα αντίστοιχα σημεία, βραχυκυκλώνοντας τις a.c συνιστώσες. Ο απαγωγός οδηγείται σε μια ενδιάμεση λήψη του πηνίου L, για να αυξήσει την επιλεκτικότητα. Σχήμα 4.1.7 Απλά συντονιζόμενος ενισχυτής με ΝΜΟS διπλής πύλης. 4. Σύζευξη συντονιζόμενων ενισχυτών Το σημαντικότερο θέμα κατά το σχεδιασμό πολυβάθμιων συντονιζόμενων ενισχυτών είναι ο τρόπος σύζευξης μεταξύ των βαθμίδων. Συνήθως, η έξοδος της προηγούμενης βαθμίδας αποτελείται από μια αντίσταση εξόδου 0 και μια χωρητικότητα εξόδου C 0. Η είσοδος της επόμενης βαθμίδας αποτελείται από μια αντίσταση εισόδου i και μια χωρητικότητα εισόδου C i. Ενδιάμεσα, υπάρχει το κύκλωμα σύζευξης, το οποίο πρέπει να διαθέτει ένα τουλάχιστο πηνίο για τον παράλληλο συντονισμό (σχ.4..1). Όταν πρόκειται να κάνουμε σύζευξη μεταξύ δυο συντονιζόμενων ενισχυτών, η σύνθετη αντίσταση του δεύτερου ενισχυτή εμφανίζεται σαν φορτίο στον πρώτο. Σε αυτή την περίπτωση, η σύζευξη παρουσιάζει μερικά προβλήματα κυρίως, όταν πρόκειται για ενισχυτές με BJT. Αν η σύζευξη γίνει διαμέσου ενός πυκνωτή, τότε η σύζευξη των δυο ενισχυτών αντιστοιχεί στο να θέσουμε τη σύνθετη αντίσταση εισόδου του δεύτερου ενισχυτή παράλληλα με την έξοδο του πρώτου.

Ειδικά Θέματα Ηλεκτρονικών 19 Σχήμα 4..1 Σύζευξη δυο βαθμίδων Η σύνθετη αντίσταση εισόδου ενός συντονιζόμενου ενισχυτή με BJT είναι πάρα πολύ μικρή έναντι της αντίστασης συντονισμού. Το αποτέλεσμα είναι η μείωση της επιλεκτικότητας του κυκλώματος (παράδειγμα 4.1.). Μερικές φορές, ο ενεργός συντελεστής ποιότητας γίνεται μικρότερος από τη μονάδα. Το αποτέλεσμα της μείωσης της επιλεκτικότητας λόγω του μικρού φορτίου, ονομάζεται φόρτιση. Για να αποφύγουμε ή να ελαχιστοποιήσουμε τα αποτελέσματα της φόρτισης κυρίως σε ενισχυτές με BJT χρησιμοποιούμε τις μεθόδους που θα περιγράψουμε σε αυτή την ενότητα. Συνήθως, υπάρχει επαγωγική ή χωρητική σύζευξη. 4..1 Επαγωγική σύζευξη με συντονιζόμενο το πρωτεύον Αυτή η μέθοδος χρησιμοποιεί ένα μετασχηματιστή σύζευξης Τ 1 για τη μεταφορά των επιλεγόμενων συχνοτήτων από τη μια βαθμίδα στην άλλη. Η σύζευξη επιτυγχάνεται με επαγωγικό τρόπο από το πρωτεύον τύλιγμα L p στο δευτερεύον L s, όπως φαίνεται στο σχ.4..(α). O λόγος των σπειρών των τυλιγμάτων υπολογίζεται κατά τέτοιο τρόπο, ώστε να προσαρμόζεται η σύνθετη αντίσταση εξόδου της μιας βαθμίδας με τη σύνθετη αντίσταση εισόδου της άλλης. Η αντίσταση που ανακλάται από τη δεύτερη βαθμίδα στην πρώτη υπολογίζεται από τη σχέση (4..1). sp n = 1 n i (4..1)

Συντονιζόμενοι ενισχυτές 0 όπου, n 1 οι σπείρες του πρωτεύοντος τυλίγματος L p και n οι σπείρες του δευτερεύοντος τυλίγματος L s. Aπο τη σχέση (4..1) καταλήγουμε στο συμπέρασμα, ότι ο μετασχηματιστής αυξάνει την ενεργό σύνθετη αντίσταση που βλέπει το συντονιζόμενο κύκλωμα του πρωτεύοντος. Με αυτό τον τρόπο αποφεύγουμε την ανεπιθύμητη φόρτιση, που μειώνει την επιλεκτικότητα του κυκλώματος. Η αμοιβαία επαγωγή των δυο τυλιγμάτων του μετασχηματιστή συμβολίζεται με Μ και υπολογίζεται από τη σχέση (4..). M = k L L (4..) όπου, Κ ο συντελεστής σύζευξης. Στους μοντέρνους μετασχηματιστές που χρησιμοποιούν πυρήνες από φερίττη ο συντελεστής σύζευξης είναι Κ=1. Η τάση V s που επάγεται στο δευτερεύον τύλιγμα υπολογίζεται από τη σχέση (4..3). n V = s n όπου, V p η τάση του πρωτεύοντος τυλίγματος. 1 p s V (4..3) p Σχήμα 4.. Σύζευξη με μετασχηματιστή προσαρμογής Η συχνότητα συντονισμού υπολογίζεται από τη σχέση (4..4)

Ειδικά Θέματα Ηλεκτρονικών 1 f 0 1 = = π LC 0, 159 LC p p p p (4..4) όπου, C p η συνολική χωρητικότητα παράλληλα στο πρωτεύον τύλιγμα. Και αυτή η μέθοδος μπορεί να παρουσιάσει χαμηλή επιλεκτικότητα για τους εξής λόγους. Ο πρώτος είναι ο χαμηλός συντελεστής ποιότητας Q, όταν χρησιμοποιούμε μικρές αυτεπαγωγές στο πρωτεύον. Ο δεύτερος είναι, ότι ο συντελεστής ποιότητας μειώνεται από την παρουσία της αντίστασης εξόδου του τρανζίστορ και από την ανακλώμενη αντίσταση της επόμενης βαθμίδας που συνεχίζει να είναι σημαντική. Για να βελτιώσουμε την επιλεκτικότητα χρησιμοποιούμε τη μέθοδο που εξηγήσαμε στην αρχή του κεφαλαίου, δηλαδή μετασχηματιστή με ενδιάμεση λήψη στο πρωτεύον τύλιγμα, όπως δείχνει το σχ.4..(β). Αν η αυτεπαγωγή L p είναι μικρή, την επεκτείνουμε κατά ν φορές και μειώνουμε αντίστοιχα κατά ν φορές τη χωρητικότητα C p έτσι, ώστε η συχνότητα συντονισμού να παραμείνει ίδια. Για να μη διαταραχτεί η προσαρμογή αντιστάσεων των δυο βαθμίδων πρέπει οι αυτεπαγωγές L p και L s να διατηρηθούν ίδιες. Με τη μέθοδο αυτή αυξάνουμε την επιλεκτικότητα του κυκλώματος. Η συχνότητα συντονισμού του νέου κυκλώματος υπολογίζεται από τη σχέση (4..5). f 0 = ' π ( L + L ) C p 1 p ' p ( 4..5 ) 4.. Eπαγωγική σύζευξη με αυτομετασχηματιστή Η επαγωγική σύζευξη από την έξοδο της μιας βαθμίδας στην είσοδο της άλλης μπορεί να επιτευχθεί και με αυτομετασχηματιστή. Σε αυτό το κύκλωμα χρησιμοποιούμε ενδιάμεση λήψη στο ένα και μοναδικό πηνίο, για να συνδέσουμε την επόμενη βαθμίδα, όπως φαίνεται στο σχ.4..3(α). Η ανάλυση της λειτουργίας του κυκλώματος είναι ίδια με εκείνη που χρησιμοποιεί μετασχηματιστή σύζευξης. Δηλαδή, η σύνθετη αντίσταση εισόδου της επόμενης βαθμίδας ανακλάται, πολλαπλασιαζόμενη επί το τετράγωνο του λόγου σπειρών n p / n s, στην έξοδο της προηγούμενης βαθμίδας. Η συχνότητα συντονισμού υπολογίζεται από τη σχέση (4..4). Όπως στην επαγωγική σύζευξη με μετασχηματιστή, έτσι και στη συγκεκριμένη περίπτωση, μπορούμε να αυξήσουμε την επιλεκτικότητα του κυκλώματος επεκτείνοντας την αυτεπαγωγή L p, όπως δείχνει το σχήμα 4..3(β). Για να μη διαταραχτεί η προσαρμογή αντιστάσεων των δυο βαθμίδων πρέπει οι αυτεπαγωγές L p και L s να διατηρηθούν ίδιες. Η συχνότητα συντονισμού του νέου κυκλώματος υπολογίζεται από τη σχέση (4..5).

Συντονιζόμενοι ενισχυτές Σχήμα 4..3 Επαγωγική σύζευξη με αυτομετασχηματιστή 4..3 Χωρητική σύζευξη Σε πολλές εφαρμογές η σύζευξη με μετασχηματιστή δεν είναι επιθυμητή, λόγω του μικρού αριθμού των σπειρών που απαιτούνται στο δευτερεύον τύλιγμα. Σε αυτή την περίπτωση συνήθως, είναι δύσκολο να έχουμε καλή σύζευξη μεταξύ του πρωτεύοντος και του δευτερεύοντος. Το πρόβλημα αυτό γίνεται ιδιαίτερα έντονο σε ενισχυτές πάρα πολύ υψηλής συχνότητας, λόγω της χαμηλής αντίστασης εισόδου, που είναι μικρότερη από 75 Ω. Σε αυτή την περίπτωση, πιο κατάλληλη είναι η χωρητική σύζευξη, όπως δείχνει το σχ.4..4(α). Η προσαρμογή των δύο βαθμίδων επιτυγχάνεται με την κατάλληλη εκλογή των πυκνωτών C 1 και C. Η χωρητικότητα C, κατά κανόνα, είναι πολύ μεγαλύτερη από τη χωρητικότητα C 1. Αυτή η επιλογή γίνεται, ώστε η χωρητική αντίσταση του πυκνωτή C 1 να είναι μεγαλύτερη από εκείνη του C για να επιτυγχάνεται η κατάλληλη προσαρμογή αντιστάσεων μεταξύ των βαθμίδων.

Ειδικά Θέματα Ηλεκτρονικών 3 Σχήμα 4..4 Χωρητική σύζευξη Η συνολική χωρητικότητα, που είναι παράλληλα στο πηνίο L p υπολογίζεται από τη σχέση (4..6), C p = C1 C C + C 1 ( 4..6 ) και η συχνότητα συντονισμού από τη σχέση (4..4). Στο σχ.4..4(β) χρησιμοποιούμε χωρητική σύζευξη, αυξάνοντας ταυτόχρονα και την επιλεκτικότητα του συντονιζόμενου κυκλώματος. Για να διατηρηθεί η ίδια συχνότητα συντονισμού πρέπει το γινόμενο της αυτεπαγωγής επί την ολική χωρητικότητα να παραμείνει το ίδιο. Επίσης, για να διατηρηθεί η προσαρμογή C1 C3 α ντιστάσεων πρέπει να ισχύει =. C C 4

Συντονιζόμενοι ενισχυτές 4 4..4 Σύζευξη με διπλά συντονιζόμενο μετασχηματιστή σύζευξης Τα πλεονεκτήματα των κυκλωμάτων με διπλά συντονιζόμενο μετασχηματιστή σύζευξης σε σύγκριση με τα κυκλώματα απλού συντονισμού είναι τα εξής : 1. Η απόκριση συχνότητας μέσα στη ζώνη διέλευσης είναι περισσότερο ομοιόμορφη (σχεδόν ευθύγραμμη).. Η καμπύλη απόκρισης είναι περισσότερο απότομη στα άκρα της ζώνης διέλευσης (στις συχνότητες f 1 και f ) 3. Η εξουδετέρωση των συχνοτήτων έξω από τη ζώνη διέλευσης συχνοτήτων, είναι περισσότερο αποδοτική. Η σύζευξη των δυο βαθμίδων του σχήματος 4..5 επιτυγχάνεται με επαγωγική σύζευξη του διπλά συντονιζόμενου μετασχηματιστή σύζευξης. Αν τα δυο συντονιζόμενα κυκλώματα συντονίζουν στην ίδια συχνότητα, τότε ισχύει: f 0 1 1 = = π LC π LC p p s s ( 4..7 ) Σχήμα 4..5 Επαγωγικ ή σύζευξη με διπλά συντονιζόμενο μετασχηματιστή σύζευξης.

Ειδικά Θέματα Ηλεκτρονικών 5 Η προσαρμογή των αντιστάσεων των δυο βαθμίδων επιτυγχάνεται με το λόγο σπειρών πρωτεύοντος και δευτερεύοντος τυλίγματος του μετασχηματιστή Τ 1. Ο συντελεστής σύζευξης Κ υπολογίζεται από τη σχέση (4..8). K = M L p L s (4..8) όπου, Μ η αμοιβαία επαγωγή. Για κάποια τιμή του συντελεστή σύζευξης, η ανακλώμενη αντίσταση από το δευτερεύον στο πρωτεύον, είναι ίση με την αντίσταση του πρωτεύοντος. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα τη μέγιστη μεταφορά ενέργειας από το πρωτεύον στο δευτερεύον. Σε αυτή την περίπτωση, ο συντελεστής σύζευξης ονομάζεται κρίσιμος συντελεστής σύζευξης και συμβολίζεται με Κ c. Αυτός υπολογίζεται από τη σχέση (4..9) ΚΡΙΣΙΜΟΣ ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΗΣ ΣΥΖΕΥΞΗΣ 1 K c = QQ 1 (4..9) όπου Q 1 και Q οι συντελεστές ποιότητας του πρωτεύοντος και δευτερεύοντος τυλίγματος, αντίστοιχα. Η απόκριση συχνότητας του κυκλώματος εξαρτάται από τον κρίσιμο συντελεστή σύζευξης Κ c. Το σχ.4..6 δείχνει την απόκριση συχνότητας του διπλά συντονιζόμενου μετασχηματιστή σύζευξης για διάφορες τιμές του συντελεστή σύζευξης Κ. Στην καμπύλη όπου αντιστοιχεί η τιμή Κ c, που προκύπτει από τη σχέση (4..9) έχουμε την κρίσιμη σύζευξη. Σε αυτή την περίπτωση, το κύκλωμα συμπεριφέρεται σαν να έχουμε μόνο ένα συντονιζόμενο κύκλωμα. Αν Κ< Κ c, τότε έχουμε υποσύζευξη, όπου στο δευτερεύον επάγεται πολύ λιγότερη τάση. Αν Κ>Κ c, τότε έχουμε υπερσύζευξη και το κύκλωμα συμπεριφέρεται σαν να είναι συντονισμένο σε παραπλήσιες συχνότητες. Η άριστη σύζευξη δίνει επίπεδη καμπύλη στη ζώνη διέλευσης συχνοτήτων, χωρίς διπλή κορυφή, που έχουμε στην υπερσύζευξη. Όταν το πρωτεύον και το δευτερεύον έχουν ίδιο συντελεστή ποιότητας Q και συντονίζουν στην ίδια συχνότητα, τότε η κρίσιμη σύζευξη ταυτίζεται με την άριστη σύζευξη. Σε αυτή την περίπτωση, ο συντελεστής κρίσιμης σύζευξης είναι ίσος με : K c = 1 Q (4..10) Άριστη σύζευξη υπερσύζευξη Κρίσιμη σύζευξη

Συντονιζόμενοι ενισχυτές 6 Σχετική απολαβή 1, 1 0,8 0,6 0,4 0, υποσύζευξη 0-0,06-0,04-0,0-0, 0 0,0 0,04 0,06 Σχετική απόκλιση συχνότητας δ Σχήμα 4..6 Απόκριση συχνότητας διπλά συντονιζόμενου μετασχηματιστή σύζευξης Το εύρος ζώνης συχνοτήτων για τον κρίσιμο συντονισμό είναι: ΕΥΡΟΣ ΖΩΝΗΣ ΣΥΧΝΟΤΗΤΩΝ BW = 141, f 0 Q (4..11) Από τη σχέση (4..11) προκύπτει, ότι στα διπλά συντονιζόμενα κυκλώματα με επαγωγική σύζευξη, το εύρος ζώνης συχνοτήτων είναι κατά 1,41 φορές μεγαλύτερο από τα απλά συντονιζόμενα κυκλώματα. Στο σχ.4..5(β) φαίνεται το ίδιο κύκλωμα με εκείνο του σχ.4..5(α), αλλά βελτιωμένο για την αύξηση της επιλεκτικότητας. 4.3 Διπλά συντονιζόμενοι και πολυβάθμιοι ενισχυτές Τους διπλά συντονιζόμενους ενισχυτές τους χρησιμοποιούμε, εφόσον η επιλεκτικότητα των απλά συντονιζόμενων ενισχυτών είναι ανεπαρκής. Ένας διπλά συντονιζόμενος ενισχυτής μπορεί να αποτελείται από δυο βαθμίδες απλά συντονιζόμενων ενισχυτών ή από μια βαθμίδα που χρησιμοποιεί διπλά συντονιζόμενο μετασχηματιστή σύζευξης. Στο κύκλωμα του σχ.4.3.1(α) φαίνεται ένας διπλά συντονιζόμενος ενισχυτής με δυο βαθμίδες απλά συντονιζόμενων ενισχυτών με σύζευξη αυτομετασχηματιστή. Στο σχ.4.3.1(β) φαίνεται ένας διπλά

Ειδικά Θέματα Ηλεκτρονικών 7 συντονιζόμενος ενισχυτής μιας βαθμίδας με διπλά συντονιζόμενο μετασχηματιστή σύζευξης. Και στα δυο αυτά κυκλώματα έχουμε τις εξής δυνατότητες: (α) Να συντονίσουμε και τα δυο συντονιζόμενα κυκλώματα στην ίδια κεντρική συχνότητα. Σε αυτή την περίπτωση, ο συντονισμός ονομάζεται σύγχρονος συντονισμός. (β) Να συντονίσουμε και τα δυο συντονιζόμενα κυκλώματα σε παραπλήσιες συχνότητες γύρω από την κεντρική συχνότητα. Σε αυτή την περίπτωση ο συντονισμός ονομάζεται συντονισμός παραπλήσιων συχνοτήτων. Σχήμα 4.3.1 Διπλά συντονιζόμενοι ενισχυτές 4.3. 1 Πολυβάθμιοι ενισχυτές με σύγχρονο συντονισμό Όπως ήδη γνωρίσατε, ένα απλά συντονιζόμενο κύκλωμα με ένα διπλά συντονιζόμενο μετασχηματιστή σύζευξης διαφέρουν στην απόκριση συχνότητας. Επομένως, ένας διβάθμιος ενισχυτής με απλά συντονιζόμενα κυκλώματα δεν έχει την ίδια απόκριση συχνότητας με έναν απλό ενισχυτή που χρησιμοποιεί διπλά συντονιζόμενο μετασχηματιστή σύζευξης. Γενικά, οι πολυβάθμιοι ενισχυτές σε σύγχρονο συντονισμό μπορεί να αποτελούνται από δυο ή περισσότερες βαθμίδες από απλά συντονιζόμενους ενισχυτές με οποιαδήποτε σύζευξη ή από δυο ή περισσότερες βαθμίδες ενισχυτών με διπλά συντονιζόμενο μετασχηματιστή σύζευξης. Συνήθως, οι βαθμίδες είναι όμοιες. Η απολαβή τάσης των πολυβάθμιων όμοιων απλά συντονιζόμενων ενισχυτών υπολογίζεται από το

Συντονιζόμενοι ενισχυτές 8 γινόμενο της απολαβής καθεμιάς. Για ν όμοιες βαθμίδες η απολαβή τάσης υπολογίζεται από τη σχέση (4.3.1). Au ν ν = az (4.3.1) όπου, Ζ η αντίσταση φορτίου της μιας βαθμίδας και α μια σταθερά, που εξαρτάται από τις παραμέτρους του ενισχυτή. Η απολαβή κατά το συντονισμό είναι : ( Au ) ν r ν = a (4.3.) r Το εύρος ζώνης των πολυβάθμιων απλά συντονιζόμενων και όμοιων ενισχυτών δίνεται από τη σχέση (4.3.3) Εύρος ζώνης συχνοτήτων πολυβάθμιων όμοιων απλά συντονιζόμενων ενισχυτών ( BW ) = ( ) ν f 0 1/ v Q 1 ( 4.3.3 ) Στο σχήμα 4.3. φαίνονται οι αποκρίσεις συχνότητας για διάφορες τιμές του ν. Σχήμα 4.3. Απόκριση συχνότητας πολυβάθμιων απλά συντονιζόμενων ενισχυτών 1, ν =3 1 ν = 0,8 0,6 ν = 0,4 0, 0 Σχετική απολαβή -0,06-0,04-0,0 0 0,0 0,04 0,06 Σχετική απόκλιση συχνότητας δ

Ειδικά Θέματα Ηλεκτρονικών 9 Στην περίπτωση όπου έχουμε πολυβάθμιους ενισχυτές με διπλά συντονιζόμενους μετασχηματιστές σύζευξης, το εύρος ζώνης για ν βαθμίδες είναι: Εύρος ζώνης πολυβάθμιων όμοιων ενισχυτών με διπλά συντονιζόμενο μετασχηματιστή σύζευξης ( BW ) ν = ( ) 1/ v ( 4.3.4 ) f 1 Q 0 4 4 Στο σχ.4.3.3 φαίνονται οι αποκρίσεις συχνότητας για διάφορες τιμές του ν στον κρίσιμο συντονισμό. 1, 1 Σχετική απολαβή 0,8 0,6 0,4 0, ν =1 ν = ν = 3 0-0,05-0,04-0,03-0,0-0,01 0 0,01 0,0 0,03 0,04 0,05 Σχετική απόκλιση συχνότητας δ Σχήμα 4.3.3 Απόκριση συχνότητας πολυβάθμιων ενισχυτών με διπλά συντονιζόμενους μετασχηματιστές σύζευξης. Στον πίνακα 4.3.1 έχουν καταχωρηθεί τα αποτελέσματα των σχέσεων (4.3.3) και (4.3.4) για διάφορες τιμές του ν. Πίνακας 4.3.1

Συντονιζόμενοι ενισχυτές 30 Ν αριθμός όμοιων βαθμίδων σε σύζευξη 1 3 4 5 Εύρος ζώνης συχνοτήτων Ν βαθμίδων απλά συντονιζόμενων ενισχυτών ΒW 0,64BW 0,51BW 0,43BW 0,39BW Εύρος ζώνης συχνοτήτων Ν βαθμίδων ενισχυτών με διπλά συντονιζόμενους μετασχηματιστές σύζευξης 1,41BW 1,13BW BW 0,93BW 0,88BW Από τις καταχωρίσεις του πίν.4.3.1, καταλήγουμε στο συμπέρασμα, ότι όσο αυξάνει ο αριθμός των βαθμίδων των πολυβάθμιων ενισχυτών μειώνεται το εύρος ζώνης συχνοτήτων. 4.3. Πολυβάθμιοι ενισχυτές με συντονισμό παραπλήσιων συχνοτήτων Αν στους ενισχυτές του σχ.4.3.1 συντονίσουμε το ένα συντονιζόμενο κύκλωμα (π.χ. L 1 C 1 ) σε μια συχνότητα λίγο μικρότερη από την κεντρική συχνότητα και το άλλο ( π.χ. L C ) σε μια συχνότητα λίγο μεγαλύτερη από την κεντρική συχνότητα, τότε λέμε ότι έχουμε συντονισμό παραπλήσιων συχνοτήτων. Για να πετύχουμε τη βέλτιστη καμπύλη απόκρισης συχνότητας, πρέπει ο συντονισμός των κυκλωμάτων L 1 C 1 και L C να είναι κρίσιμος. Δηλαδή, οι συχνότητες συντονισμού των δυο κυκλωμάτων να μην απέχουν πολύ από την κεντρική συχνότητα, αλλά, ούτε να βρίσκονται πολύ κοντά της. Στο σχ.4.3.4 έχουμε τρεις καμπύλες απόκρισης συχνότητας, ανάλογα με το είδος του κλονιζόμενου συντονισμού. Αν με τα συντονιζόμενα κυκλώματα επιλέξουμε συχνότητες πολύ μακριά από την κεντρική συχνότητα, τότε η καμπύλη παρουσιάζει μια βύθιση (κοιλάδα) στο πάνω μέρος. Η βύθιση αυτή συνήθως εκτείνεται συμμετρικά γύρω από την κεντρική συχνότητα. Σε αυτή την περίπτωση λέμε, ότι τα συντονιζόμενα κυκλώματα έχουν χαλαρή σύζευξη και ο συντονισμός είναι χαλαρός.

Ειδικά Θέματα Ηλεκτρονικών 31 Σχήμα 4.3.4 Απόκριση συχνότητας σε ενισχυτή με συντονισμό σε παραπλήσιες συχνότητες. Σχετική απολαβή 1, 1 0,8 0,6 0,4 0, 0 430 440 f 450 01 f 460 0 470 480 Σχετική απολαβή 1, 1 0,8 0,6 0,4 0, 0 Συχνότητα (ΚΗz) ΒW t 430 440 450 460 470 480 f o Συχνότητα (ΚΗz)

Συντονιζόμενοι ενισχυτές 3 Aν στα συντονιζόμενα κυκλώματα επιλέξουμε συχνότητες πολύ κοντά στην κεντρική συχνόηα, τότε η καμπύλη απόκρισης παρουσιάζει ένα όρος και έχει τη μορφή ενός απλά συντονιζόμενου κυκλώματος. Σε αυτή την περίπτωση λέμε, ότι τα συντονιζόμενα κυκλώματα έχουν ισχυρή σύζευξη και ο συντονισμός είναι ισχυρός. Aν με τα συντονιζόμενα κυκλώματα επιλέξουμε συχνότητες κάπου ενδιάμεσα, τότε μπορούμε να πετύχουμε σχεδόν ευθύγραμμη απόκριση συχνότητας μέσα στο εύρος ζώνης συχνοτήτων. Σε αυτή την περίπτωση λέμε, ότι έχουμε κρίσιμο συντονισμό. Συνήθως, τον συντονισμό με παραπλήσιες συχνότητες τον χρησιμοποιούμε στα ραδιόφωνα FM και στην TV, όπου το εύρος ζώνης είναι μεγάλο (300 KHz και 7 ΜΗz αντίστοιχα) και ευθύγραμμο. Από τις τρεις περιπτώσεις μας ενδιαφέρει ο κρίσιμος συντονισμός. Στην TV συνήθως, συντονίζουμε σε περισσότερες από δυο συχνότητες για να αποκτήσουμε την κατάλληλη απόκριση συχνότητας και εύρος ζώνης 7 ΜΗz. Για να υπολογίσουμε τις συχνότητες f 01 και f 0 που πρέπει να επιλέξουμε με τα συντονιζόμενα κυκλώματα, υποθέτουμε ότι, το ολικό εύρος ζώνης είναι BW t. Αν η κεντρική συχνότητα, στην οποία καλείται να λειτουργήσει ο ενισχυτής είναι f 0, τότε για τον κρίσιμο συντονισμό οι συχνότητες αυτές δίνονται από τις ακόλουθες σχέσεις: f = f 035, BW 01 0 f = f + 035, BW 0 0 BW = BW = 0, 707BW 1 t t t ( 4.3.5 ) ( 4.3.6 ) ( 4.3.7 ) όπου, BW 1 και BW είναι αντίστοιχα το εύρος ζώνης των συντονιζόμενων κυκλωμάτων και αναφέρονται σε απολαβή 3dB κάτω από τη μέγιστη τιμή. Οι δυο συχνότητες f 01, f 0 απέχουν το ίδιο από την κεντρική συχνότητα f 0. Για να πετύχουμε κρίσιμη σύζευξη στον συντονισμό με παραπλήσιες συχνότητες, πρέπει συνήθως στην πράξη να καταβάλλουμε κάποια προσπάθεια αφού, όταν συντονίζουμε το ένα κύκλωμα μεταβάλλεται το ολικό εύρος ζώνης και η κεντρική συχνότητα f 0. Για το λόγο αυτό, καλό είναι να συντονίζουμε και τα δυο κυκλώματα ταυτόχρονα. 4.3.3 Συντονιζόμενοι ενισχυτές με κρυστάλλους και επιφάνειες ακουστικού κύματος Οι συντονιζόμενοι ενισχυτές που χρησιμοποιούν το κύκλωμα του παράλληλου συντονισμού με πηνίο και πυκνωτή έχουν ένα βασικό μειονέκτημα, εκείνο της αστάθειας της συχνότητας συντονισμού που μεταβάλλεται από διάφορους παράγοντες. Η πιο ικανοποιητική μέθοδος για τη σταθεροποίηση της συχνότητας

Ειδικά Θέματα Ηλεκτρονικών 33 είναι η χρήση κρυστάλλων χαλαζία (quartz) και επιφανειών ακουστικού κύματος (Surface Acoustic Wave, SAW). H αρχή τους βασίζετται στο πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο. Άν εφαρμόσουμε μια μηχανική δύναμη σε ένα κρύσταλλο, τότε στα άκρα του αναπτύσσεται μια τάση. Αν η δύναμη που εφαρμόζουμε είναι μεταβλητή, τότε και η τάση στα άκρα του είναι μεταβλητή. Αντίθετα, αν τοποθετήσουμε τον κρύσταλλο μεταξύ δυο μεταλλικών πλακών και εφαρμόσουμε εναλλασσόμενη τάση στα άκρα του, τότε ο κρύσταλλος παράγει μηχανικές δονήσεις. Το πλάτος των δονήσεων αυτών γίνεται μεγάλο, όταν η συχνότητα της τάσης που εφαρμόζεται συμπέσει με την ιδιοσυχνότητα του κρυστάλλου (συχνότητα συντονισμού). Οι μηχανικές δονήσεις παράγουν ηλεκτρικές ταλαντώσεις σταθερής συχνότητας. Ο κρύσταλλος συντονίζει σε δυο διαφορετικές συχνότητες που είναι πολύ κοντά η μια στην άλλη. Η μια αντιστοιχεί σε συντονισμό σειράς και η άλλη σε παράλληλο συντονισμό. Η συχνότητα συντονισμού ενός κρυστάλλου αλλάζει, αν παράλληλα ή σε σειρά με τον κρύσταλλο τοποθετήσουμε έναν πυκνωτή. Ένα επίσης σημαντικό χαρακτηριστικό των κρυστάλλων είναι ότι έχουν υψηλό συντελεστή ποιότητας. Μοντέρνα κυκλώματα συντονισμού με κρυστάλλους επιτυγχάνουν υψηλούς συντελεστές ποιότητας, που κυμαίνονται από 50.000 έως.000.000. Αυτό σημαίνει, ότι έχουν υψηλή επιλεκτικότητα. Στο σχ. 4.3.5(α) φαίνεται ένα κύκλωμα συντονισμού χρησιμοποιώντας ένα κρυσταλλικό φίλτρο με δυο κρυστάλλους και στο σχ.4.3.5(β) η απόκριση συχνότητας του φίλτρου. Οι συσκευές με επιφάνειες ακουστικού κύματος (SAW) είναι δυο τύπων, τα εγκάρσιου τύπου (transversal) ή τύπου T και τα συντονιστικού τύπου (resonant) ή τύπου. Τα εγκάρσιου τύπου χρησιμοποιούνται για να παράγουν μια ευθύγραμμη απόκριση σε μια μεγάλη περιοχή συχνοτήτων, ενώ τα συντονιστικού τύπου χρησιμοποιούνται για να παράγουν ένα πρότυπο οξύ συντονισμού (μεγάλης επιλεκτικότητας). Εκείνα που θα εξετάσουμε τώρα, είναι τα εγκάρσιου τύπου. Αυτά χρησιμοποιούνται σε ενισχυτές ενδιάμεσης συχνότητας ραδιοφώνων FM και δεκτών TV. Και οι δυο αυτές εφαρμογές απαιτούν επίπεδη απόκριση συχνότητας για μεγάλη περιοχή συχνοτήτων στις βαθμίδες ενισχυτών ενδιάμεσης συχνότητας (I.F). To εύρος ζώνης για τα ραδιόφωνα FM είναι πάνω από 300 ΚΗz για την ενδιάμεση συχνότητα 10,7 ΜΗz, ενώ στην TV για τον ενισχυτή ενδιάμεσης συχνότητας των 45 ΜΗz απαιτείται εύρος ζώνης συχνοτήτων 7 ΜΗz.

Συντονιζόμενοι ενισχυτές 34 Σχήμα 4.3.5 Κρυσταλλικό φίλτρο και η απόκριση συχνότητας Ένα SAW χρησιμοποιεί το πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο για να προωθεί ένα μηχανικό κύμα κατά μήκος της επιφάνειας μιας λωρίδας από κατάλληλο υλικό. Αυτή είναι κατασκευασμένη από δυο ομάδες παράλληλων αγωγών σε σχήμα χτένας, που είναι τοποθετημένες η μια μέσα στην άλλη, χωρίς ηλεκτρική σύνδεση και από τις δυο πλευρές της λωρίδας, όπως φαίνεται στο σχ.4.3.6. Από τη μια πλευρά είναι ο πομπός και από την άλλη ο δέκτης. Σχήμα 4.3.6 Επιφάνεια ακουστικού κύματος (SAW) τύπου T Κατασκευαστικά, μπορεί να δημιουργηθεί με ένα εύκολο τρόπο κατασκευής ολοκληρωμένων κυκλωμάτων. Αν στη μια πλευρά της λωρίδας εφαρμόσουμε στα άκρα του συστήματος ένα ηλεκτρικό σήμα, τότε θα δημιουργηθεί ένα μηχανικό επιφανειακό κύμα το οποίο θα διαδοθεί μέχρι την άλλη άκρη της λωρίδας. Περνώντας κάτω από τα παράλληλα ηλεκτρόδια εξόδου, δημιουργεί στα άκρα τους ένα αντίστοιχο ηλεκτρικό σήμα. Η ολική διαδικασία μεταφοράς επιτελείται με μια καθυστέρηση, που δημιουργείται και από το σύστημα εκπομπής και από το

Ειδικά Θέματα Ηλεκτρονικών 35 σύστημα λήψης. Έτσι, αλλού έχουμε ενίσχυση του σήματος και αλλού εξασθένηση. Στα όρια της ανώτερης και κατώτερης συχνότητας αποκοπής του φίλτρου έχουμε απότομη πτώση του ηλεκτρικού σήματος στην έξοδο. Με κατάλληλη εκλογή του χώρου μεταξύ των παράλληλων αγωγών και με την προσθήκη και άλλων δοντιών στις χτένες είναι δυνατό να δημιουργήσουμε επίπεδη απόκριση συχνότητας μέσα στο εύρος ζώνης συχνοτήτων(σχ.4.3.7). Τα φίλτρα αυτού του τύπου χρησιμοποιούνται αρκετά στα ραδιόφωνα FM (σχ.4.3.7(α)) και στην TV (σχ.4.3.7(β)), επειδή είναι φθηνά και δεν απαιτούν ρύθμιση της συχνότητας κατά την εγκατάστασή τους. Μερικά από του χαμηλού κόστους φίλτρα αυτού του τύπου χρησιμοποιούν ως υπόστρωμα μια λεπτή επίπεδη λωρίδα υψηλά εξευγενισμένου πιεζοηλεκτρικού κεραμικού, όπως είναι το υλικό μόλυβδος-ζιρκόνιο-τιτάνιο ( PZT ). Τα φίλτρα αυτά ονομάζονται κεραμικά φίλτρα. Σχήμα 4.3.7 Αποκρίσεις συχνότητας κεραμικών φίλτρων SAW Τα κεραμικά φίλτρα SAW μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως στοιχεία επιλογής σε συστήματα που έχουν χαμηλή σύνθετη αντίσταση εισόδου και εξόδου, όπως είναι οι ενισχυτές με τρανζίστορ BJT. Υψηλότερης ποιότητας κρυσταλλικά φίλτρα κατασκευάζονται από μονοκρυσταλλικό νιοβικό λίθιο (L i NbO 3 ), οξείδιο βισμούθιου-γερμανίου (Bi 1 GeO 0 ), και το τανταλικό λίθιο (LiTaO 3 ), ή από χαλαζία (quartz). Από αυτά προτιμάται το τανταλικό λίθιο για φίλτρα ευρείας ζώνης διέλευσης συχνοτήτων (wide pass-band) και του χαλαζία για φίλτρα στενής ζώνης διέλευσης συχνοτήτων(narrow pass-band). Σε συστήματα αυτού του είδους μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε και κυκλώματα LC για να ελέγχουμε ξεχωριστά το πλάτος και τη φάση του εκπεμπόμενου σήματος.

Συντονιζόμενοι ενισχυτές 36 Στο σχ.4.3.8 φαίνεται ένας ενισχυτής με κεραμικά φίλτρα SAW, που χρησιμοποιείται ως ενισχυτής ενδιάμεσης συχνότητας, ο οποίος είναι συντονισμένος σε κεντρική συχνότητα 10,7 ΜHz. Σχήμα 4.3.8 Ενισχυτής I.F ραδιοφώνου FM 4.4 Ενισχυτές Υ.Σ σε τάξη C και D. 4.4.1 Ενισχυτές Υ.Σ σε τάξη C Στους ενισχυτές τάξης C το ρεύμα φορτίου ρέει για χρόνο μικρότερο από τη διάρκεια μιας ημιπεριόδου ενός ημιτονοειδούς σήματος εισόδου. Το σχ.4.4.1 δείχνει μια τυπική κυματομορφή ρεύματος σε τάξη C. Όπως βλέπετε, η γωνία αγωγιμότητας του ρεύματος είναι μικρότερη από 180 ο. Αυτή η γωνία, ονομάζεται γωνία αγωγιμότητας θ C. Ασφαλώς, η έξοδος ενός ενισχυτή τάξης C είναι υπερβολικά παραμορφωμένη. Γι αυτό το λόγο δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε εφαρμογές που απαιτούν υψηλή πιστότητα, όπως είναι ο ενισχυτής ακουστικών συχνοτήτων ( A.F ). Οι ενισχυτές τάξης C χρησιμοποιούνται κυρίως σε ενισχυτές ισχύος Υ.Σ πομπών F. Στους ενισχυτές ισχύος Υ.Σ, απαιτείται υψηλή απόδοση. Η χρήση της τάξης C στους ενισχυτές ανεβάζει το συντελεστή απόδοσης πάνω από τα 90%.

Ειδικά Θέματα Ηλεκτρονικών 37 Σχήμα 4.4.1 Ρεύματα εισόδου και εξόδου ενισχυτή τάξης C. Στο σχ.4.4.(α) φαίνεται ένας απλός ενισχυτής σε τάξη C. Η βάση του τρανζίστορ πολώνεται με ένα αρνητικό δυναμικό -V BB, διαμέσου ενός πηνίου τσόκ FC. Αυτό παρουσιάζει μια υψηλή αντίσταση στις υψηλές συχνότητες και εμποδίζει τη συνεχή τάση -V BB να βραχυκυκλώσει το σήμα εισόδου. Για να ξεκινήσει να άγει το τρανζίστορ, πρέπει το σήμα εισόδου να φτάσει σε ένα επίπεδο ικανό να ξεπεράσει το αρνητικό δυναμικό, ώστε η V be να γίνει 0,7βολτ. Δηλαδή, πρέπει να ισχύει V c = V BB +0,7 Βολτ. Όπου, V c η τάση του σήματος εισόδου, στην οποία το τρανζίστορ αρχίζει να άγει. Στο σχ.4.4.(β) φαίνεται το ίδιο κύκλωμα με διαφορετική πόλωση της βάσης. Ο πυκνωτής σύζευξης C 1, η αντίσταση εισόδου και η δίοδος βάσης-εκπομπού διαμορφώνουν ένα αρνητικό ψαλιδιστή. Δηλαδή, ο πυκνωτής σύζευξης C 1 φορτίζεται με τη μέση τιμή του σήματος εισόδου και με την πολικότητα που φαίνεται στο σχήμα 4.4.(β). Για να άγει το τρανζίστορ, πρέπει η στιγμιαία τιμή του σήματος εισόδου να υπερβεί κατά 0,7 βολτ από την τάση που έχει φορτιστεί ο πυκνωτής. Στο σχ.4.4.(α) το τρανζίστορ είναι στην αποκοπή μέχρι η τάση V i να φτάσει την τιμή V c. Σε αρκετές εφαρμογές ενισχυτών τάξης C, ο ενισχυτής σχεδιάζεται έτσι, ώστε η τιμή της κορυφής του σήματος εισόδου V p να είναι ικανή να οδηγήσει το τρανζίστορ στον κόρο. Η συχνότητα συντονισμού υπολογίζεται από τη σχέση (4.1.). Η κυματομορφή του ρεύματος εξόδου, εφόσον δεν είναι ημιτονοειδούς μορφής, αποτελείται από τη θεμελιώδη συχνότητα και πλήθος αρμονικών συχνοτήτων.

Συντονιζόμενοι ενισχυτές 38 Σχήμα 4.4. Ενισχυτές τάξης C Ο σκοπός του συντονιζόμενου κυκλώματος είναι για να συντονίζει στη θεμελιώδη συχνότητα της κυματομορφής εξόδου, που έχει την ίδια συχνότητα με το σήμα εισόδου. Όταν οι παλμοί ρεύματος διαρρέουν το συντονιζόμενο κύκλωμα, όλες οι αρμονικές, εκτός από τη θεμελιώδη, θα φιλτραριστούν. Τελικά, μόνο η θεμελιώδης συχνότητα θα παραμείνει πάνω στο συντονιζόμενο κύκλωμα. Το αποτέλεσμα είναι, η τάση στα άκρα του συντονιζόμενου κυκλώματος να έχει ημιτονοειδή μορφή. Υπάρχουν διάφοροι τρόποι για να εξηγηθεί πως επανακτάται η θεμελιώδης συχνότητα από το παλμόρευμα εξόδου. Μπορούμε να θεωρήσουμε, ότι το συντονιζόμενο κύκλωμα έχει υψηλό Q, ώστε να καταστέλλει τις αρμονικές συχνότητες και να επιλέγει μόνο τη θεμελιώδη συχνότητα. Γνωρίζουμε επίσης, ότι η απολαβή τάσης του ενισχυτή είναι ανάλογη του φορτίου του συλλέκτη. Η αντίσταση του συντονιζόμενου κυκλώματος είναι πολύ μεγάλη στην κεντρική συχνότητα. Επομένως, η απολαβή που αντιστοιχεί σε αυτή τη συχνότητα είναι αρκετά μεγάλη, ενώ η απολαβή στις αρμονικές συχνότητες είναι πολύ μικρότερη. Το πλάτος της θεμελιώδους συχνότητας στην τάξη C, εξαρτάται από τη γωνία αγωγιμότητας θ C. Όσο μεγαλύτερη είναι η γωνία αγωγιμότητας, τόσο μεγαλύτερος είναι ο λόγος του πλάτους της θεμελιώδους συχνότητας προς το πλάτος της ολικής κυματομορφής. Η απόδοση ενός ενισχυτή τάξης C είναι πολύ υψηλή, επειδή σε όλη τη διάρκεια του σήματος εισόδου εργάζεται όσο διαρκεί η γωνία αγωγιμότητας και συνεπώς, καταναλώνει πολύ μικρή ισχύ. Για να πετύχουμε στο μέγιστο αυτό που επιδιώκουμε, ο συντονιζόμενος ενισχυτής απαιτεί ένα συντονιζόμενο κύκλωμα με μεγάλο συντελεστή ποιότητας Q. Έτσι, το εύρος περιορίζεται σημαντικά. Η υψηλή απόδοση των ενισχυτών τάξης C, είναι ο λόγος για τον οποίο χρησιμοποιούνται αποκλειστικά σε συντονιζόμενα κυκλώματα Υ.Σ και ειδικά σε βαθμίδες εξόδου διαμορφωτών ΑΜ.

Ειδικά Θέματα Ηλεκτρονικών 39 4.4. Ενισχυτές τάξης D Ένας ενισχυτής τάξης D είναι ένας ενισχυτής, του οποίου η έξοδος ελέγχεται από παλμούς που διαμορφώνονται κατά πλάτος. Επίσης, η έξοδός του ουσιαστικά, λειτουργεί σε γραμμική περιοχή για μικρό χρόνο, κατά τη διάρκεια όλης της περιόδου του ημιτονοειδούς σήματος εισόδου. Αυτός ο μικρός χρόνος, είναι η διάρκεια κατά την οποία το τρανζίστορ μεταβαίνει από τον κόρο στην αποκοπή και αντίστροφα. Η συσκευή εξόδου είναι ένας ψηφιακός διακόπτης ισχύος που ταιριάζει καλύτερα σε ένα VMOS. Το βασικό στοιχείο που απαρτίζει ένα ενισχυτή τάξης D, είναι ο διαμορφωτής πλάτους παλμών (PWM). Αυτός παράγει μια σειρά από παλμούς, των οποίων η διάρκεια ( πλάτος) είναι ανάλογη με το επίπεδο τη τάσης εισόδου του ενισχυτή. Όταν το επίπεδο της τάσης του σήματος εισόδου είναι μικρό, παράγεται ένας παλμός μικρής χρονικής διάρκειας (στενός παλμός). Όταν το επίπεδο της τάσης του σήματος εισόδου είναι μεγάλο, παράγεται ένας παλμός μεγάλης χρονικής διάρκειας ( πλατύς παλμός). Στο σχ.4.4.3 διευκρινίζεται η λειτουργία ενός διαμορφωτή πλάτους παλμών. Όταν, το πλάτος του σήματος εισόδου (ημιτονοειδής κυματομορφή), αυξάνεται ή μειώνεται, το πλάτος των παλμών αυξάνεται ή μειώνεται αντίστοιχα. Σχήμα 4.4.3 Η λειτουργία του διαμορφωτή πλάτους παλμών Η πριονωτή κυματομορφή που φαίνεται είναι μια κυματομορφή, η οποία ξεκινάει από μια ελάχιστη τάση, αυξάνεται γραμμικά με το χρόνο και επιστρέφει ξανά στην ελάχιστη τάση της, σχεδόν ακαριαία, για να επαναλάβει ξανά τη γραμμική της αύξηση. Όταν η τιμή της πριονωτής τάσης, μια συγκεκριμένη χρονική στιγμή, είναι

Συντονιζόμενοι ενισχυτές 40 μεγαλύτερη από την τιμή της ημιτονοειδούς τάσης εισόδου V i, το αποτέλεσμα είναι μια χαμηλή τάση στην έξοδο του διαμορφωτή πλάτους (LOW). Όταν η τιμή της πριονωτής τάσης, μια συγκεκριμένη χρονική στιγμή, είναι μικρότερη από την τιμή της ημιτονοειδούς τάσης εισόδου V i (το τμήμα που έχει χρωματιστεί κόκκινο), το αποτέλεσμα είναι μια υψηλή τάση στην έξοδο του διαμορφωτή πλάτους (HIGH). Στα σημεία που φαίνονται οι διακεκομμένες γραμμές, η τιμή της πριονωτής τάσης γίνεται μικρότερη από την τιμή της ημιτονοειδούς τάσης εισόδου V i. Στα σημεία που φαίνεται η μπλε γραμμή, η τιμή της πριονωτής τάσης γίνεται μεγαλύτερη από την τιμή της ημιτονοειδούς τάσης εισόδου V i. Επομένως, στα σημεία αυτά έχουμε εναλλαγή των παλμών εξόδου από High σε Low και αντίστροφα. Το σχ.4.4.4 δείχνει πως μπορεί να δημιουργηθεί ένας διαμορφωτής πλάτους παλμών χρησιμοποιώντας μια γεννήτρια πριονωτής κυματομορφής και ένα συγκριτή τάσης. Όταν η τιμή της πριονωτής τάσης μια συγκεκριμένη χρονική στιγμή είναι μεγαλύτερη από την τιμή της τάσης εισόδου V i, το αποτέλεσμα στην έξοδο του συγκριτή, είναι μια χαμηλή τάση (LOW). Όταν η τιμή της πριονωτής τάσης μια συγκεκριμένη χρονική στιγμή είναι μικρότερη από την τιμή της τάσης εισόδου V i, το αποτέλεσμα στην έξοδο του συγκριτή είναι μια υψηλή τάση(high). Σημειώστε, ότι ο συγκριτής τάσης πρέπει να έχει υψηλή τάση στην έξοδό του, κάθε φορά, που η πριονωτή τάση επιστρέφει στην ελάχιστη τιμή της. Σε αυτά τα χρονικά σημεία ξεκινά ένας νέος παλμός. Η έξοδος του συγκριτή παραμένει στην υψηλή τάση, μέχρι να επιστρέψει η πριονωτή κυματομορφή ξανά στην ελάχιστη τιμή της. Έτσι, το πλάτος της υψηλής τάσης του παλμού εξόδου είναι ανάλογο της χρονικής διάρκειας που απαιτείται, ώστε η πριονωτή κυματομορφή να φτάσει την ημιτονοειδή τάση εισόδου V i. Αυτό είναι ανάλογο του επιπέδου της τάσης V i. Όπως βλέπετε και στο σχ.4.4.3 το αποτέλεσμα είναι μια σειρά από παλμούς, των οποίων το πλάτος είναι ανάλογο του επιπέδου της τάσης V. i Σχήμα 4.4.4 Διαμορφωτής πλάτους παλμών

Ειδικά Θέματα Ηλεκτρονικών 41 Σημειώστε, ότι η τάση από κορυφή σε κορυφή της πριονωτής κυματομορφής πρέπει να υπερβαίνει τη μέγιστη από κορυφή σε κορυφή ημιτονοειδή τάση εισόδου για να έχουμε επιτυχές αποτέλεσμα. Επίσης, η συχνότητα της πριονωτής κυματομορφής πρέπει να είναι τουλάχιστον 10 φορές μεγαλύτερη από τη μέγιστη συχνότητα του σήματος εισόδου V i. Ο διαμορφωτής πλάτους παλμών, οδηγεί τη βαθμίδα εξόδου ενός ενισχυτή τάξης D, σύμφωνα με τους παλμούς που παράγει στην έξοδο, θέτοντάς τη, πότε σε κατάσταση κόρου και πότε σε κατάσταση αποκοπής. Στο σχήμα 4.4.5 φαίνεται το δομικό διάγραμμα ενός ενισχυτή που λειτουργεί σε τάξη D. Όπως ο ενισχυτής τάξης C, έτσι και ο ενισχυτής τάξης D, πρέπει να έχει στην έξοδο ένα φίλτρο για να επαναφέρει την αρχική ημιτονοειδή κυματομορφή της τάσης V i. Οπωσδήποτε, σε αυτή την περίπτωση το σήμα εξόδου μπορεί να έχει μερικές πρόσθετες συχνότητες που δεν είχε το σήμα εισόδου V i. Για το λόγο αυτό, απαιτείται ένα φίλτρο διέλευσης χαμηλών συχνοτήτων (κατωδιαβατό) που να έχει συχνότητα αποκοπής κοντά στη μέγιστη συχνότητα του σήματος εισόδου V i. Το κατωδιαβατό φίλτρο καταστέλλει τις πρόσθετες υψηλές συχνότητες από την παλμοσειρά, με αποτέλεσμα να παίρνουμε τη μέση τιμή της παλμοσειράς. Η μέση τιμή τάσης της παλμοσειράς εξαρτάται από τη διάρκεια του κάθε παλμού στην έξοδο του φίλτρου. Μεγάλης διάρκειας παλμός, θα δίνει μεγάλη τάση στην έξοδο του φίλτρου, ενώ μικρής δι άρκειας παλμός, θα δίνει μικρή τάση στην έξοδο του φίλτρου. Συνεπώς, μετά το φίλτρο θα προκύπτει μια κυματομορφή, η οποία θα αυξάνεται ή θα μειώνεται, όταν η διάρκεια των παλμών θα αυξάνεται ή θα μειώνεται. Σχήμα 4.4. 6 Δομικό διάγραμμα ενός ενισχυτή σε τάξη λειτουργίας D Το αποτέλεσμα είναι η δημιουργία μιας κυματομορφής σαν εκείνη του σήματος εισόδου V i. Το βασικότερο πλεονέκτημα των ενισχυτών τάξης D, είναι η υψηλή απόδοσή τους που πλησιάζει το 100%. Η υψηλή απόδοση οφείλεται στο γεγονός εκείνο, όπου το τρανζίστορ εξόδου παραμένει πολύ λίγο χρόνο στην ενεργό