Tato prezentace byla vytvořena v rámci projektu Orbis pictus 21. století

Vysokofrekvenční a širokopásmové zesilovače OB21-OP-EL-ELN-JANC-U-2-013

Vysokofrekvenční zesilovače Vysokofrekvenční zesilovače zesilují elektrické signály s frekvencí vyšší než 20 kHz jen v určitém, přesně stanoveném frekvenčním pásmu. Signály s frekvencemi mimo toto pásmo jsou potlačeny, to znamená, že tyto zesilovače mají výraznou kmitočtovou selektivitu, neboř jsou většinou určeny jen pro zesilování signálů v určitém kmitočtovém pásmu.

Vysokofrekvenční zesilovače Podle šířky přenášeného kmitočtového pásma je rozdělujeme na: Úzkopásmové (selektivní) – u kterých je poměr šířky pásma B ke středovému kmitočtu fs roven B/fs < 0,1 fs Širokopásmové (obrazové) – u kterých je šířka kmitočtového pásma B > 0,1 fs (např. mezifrekvenční zesilovač u televizoru B = 31 až 37 MHz.

Vysokofrekvenční zesilovače Jako zesilovací prvky se zde používají: tranzistory – od nejnižších kmitočtů až po kmitočty řádu několika desítek GHz. Bipolární tranzistory se používají po kmitočty okolo 10 GHz, unipolární tranzistory JFET nebo MOSFET po kmitočty kolem 1 GHz. Speciální unipolární tranzistory s Schottkyho hradlem MESFET umožňují použití až po kmitočty kolem 12 GHz. Nejmodernější unipolární mikrovlnné tranzistory HEMT umožňují použití až do kmitočtů téměř 100 GHz. vakuové elektronky – oblast velmi velkých vysokofrekvenčních výkonů (televizní vysílače).

Úzkopásmové vysokofrekvenční zesilovače Zesilují pouze signály rozložené v určitém frekvenčním pásmu. Pro šířku tohoto pásma je rozhodující poměr šířky přenášeného kmitočtového pásma ke střední frekvenci, tzv. relativní šířka pásma.

Úzkopásmové vysokofrekvenční zesilovače Je-li fd dolní mezní frekvence oblasti a fh horní mezní frekvence oblasti ve které chceme zesilovat, platí pro šířku přenášeného pásma: Střední frekvence této oblasti je: a relativní šířka pásma je:

Úzkopásmové vysokofrekvenční zesilovače Tyto zesilovače mají místo odporů jako zátěže v kolektorovém obvodu zapojen rezonanční obvod LC, jehož rezonanční frekvence je naladěna na střed přenášeného pásma. Proto se tyto zesilovače nazývají laděné nebo selektivní

Úzkopásmové vysokofrekvenční zesilovače Obr. 1 Vysokofrekvenční zesilovač s jednoduchým laděným obvodem

Úzkopásmové vysokofrekvenční zesilovače Na obr. 1a) je vysokofrekvenční zesilovač s jednoduchým laděným obvodem. Zesílení tohoto zesilovače je maximální při rezonanční frekvenci paralelního laděného obvodu. Toto zesílení se zmenšuje se změnou frekvence zesilovaného signálu – viz frekvenční charakteristika vf zesilovače na obr. 1b).

Úzkopásmové vysokofrekvenční zesilovače Ideální průběh frekvenční charakteristiky by byl obdélníkový, zesilovačem by neprocházely signály nenáležející zesilovanému pásmu. Ve skutečnosti však průběh frekvenční charakteristiky obdélníkový není. Výhodnější průběhy frekvenční charakteristiky lze dosáhnout, jestliže se místo jednoduchého laděného obvodu použijí dva vázané laděné obvody a signál se odebírá z druhého obvodu (obr.2). Místo vázaných laděných obvodů se mnohdy používají různé pásmové propusti.

Úzkopásmové vysokofrekvenční zesilovače Obr. 2 Vysokofrekvenční zesilovač s vázanými laděnými obvody

Úzkopásmové vysokofrekvenční zesilovače V dnešní době se často setkáváme se zesilovači s unipolárními tranzistory. Jako příklad je uveden úzkopásmový zesilovač s dvojhradlovým tranzistorem MOSFET (obr.3). Selektivita je zde zajištěna jednoduchými rezonančními obvody. Zesilovače tohoto typu jsou často využívány jako vstupní zesilovače v ladících dílech televizních přijímačů, v mezifrekvenčních zesilovačích přijímačů družicové televize apod.

Úzkopásmové vysokofrekvenční zesilovače Obr. 3 Úzkopásmový vf zesilovač s dvojhradlovým tranzistorem MOSFET

Úzkopásmové vysokofrekvenční zesilovače I zde se však začínají více prosazovat vysokofrekvenční zesilovače s monolitickými obvody. Nejprve se jednalo o křemíkové monolitické obvody, které se používaly do kmitočtu 1 GHz. V současné době se používají obvody na bázi SiGe až do kmitočtů okolo 5 GHz a na bázi GaAs a ty jsou použitelné až do kmitočtů několika desítek GHz.

Úzkopásmové vysokofrekvenční zesilovače Tyto zesilivače jsou funkčně rovnocenné konvenčním obvodům. Mají však větší spolehlivost, menší rozměry a hmotnost, nižší cenu apod. Jako příklad je uveden monolitický kaskádový zesilovač (obr.4). Jedná se o velmi často používané zapojení monolitického obvodu. Kaskáda má velké výkonové zesílení, malý šum a dobrou stabilitu.

Úzkopásmové vysokofrekvenční zesilovače Obr. 4. Monolitický kaskádový zesilovač

Úzkopásmové vysokofrekvenční zesilovače Úzkopásmové rezonanční zesilovače se často realizují jako přeladitelné. K naladění rezonančního obvodu LC se používá ladící kondenzátor. Ten může být buď mechanický anebo elektronický.

Úzkopásmové vysokofrekvenční zesilovače V moderních zařízeních se používají kapacitní diody řízené napětím – varikapy, ty mají některé výhody jako např. menší rozměry, větší spolehlivost, možnost snadného dálkového ovládání kapacity a slučitelnost s perspektivními soustavami číslicového ladění. Příklad zapojení takového přeladitelného zesilovače je uveden na obr. 5.

Úzkopásmové vysokofrekvenční zesilovače Obr. 5. a) přeladitelný úzkopásmový vysoko frekvenční zesilovač b) jednoduchý rezonanční obvod s varikapem

Širokopásmové vysokofrekvenční zesilovače Širokopásmové zesilovače jsou takové, u kterých je šířka pásma zesilovacích frekvencí podstatně větší než u běžných zesilovačů (řádově MHz). Používají se v měřící technice, např. v osciloskopech, v televizní technice jako obrazové zesilovače se šířkou pásma 6 MHz, v přijímačích radiolokátorů apod. Rozdělují se na širokopásmové zesilovače: s nosnou frekvencí, bez nosné frekvence.

Širokopásmové zesilovače s nosnou frekvencí Nejjednodušší provedení představuje vícestupňový vysokofrekvenční zesilovač s jednoduchými laděnými obvody mezi stupni. Všechny laděné obvody jsou nastaveny na stejnou frekvenci a nazývají se také souběžně (synchronně) laděné. Šířka pásma se dosáhne tlumením laděných obvodů přídavnými tlumícími rezistory. Počet stupňů zesilovače je určován požadovaným zesílením zesilovače.

Širokopásmové zesilovače s nosnou frekvencí Jejich nevýhodou je zmenšování šířky pásma se zvětšováním počtu zesilovacích stupňů a poměrně malá dosažitelná šířka pásma (asi 1 MHz). Výhodou je jednoduché nastavování a konstrukce.

Širokopásmové zesilovače s nosnou frekvencí Šířku pásma je možné zvětšit tak, že podle určitého pravidla naladíme obvody jednotlivých zesilovacích stupňů na různé frekvence, vzhledem ke středu pásma. Takový širokopásmový zesilovač se nazývá rozloženě laděný.

Širokopásmové zesilovače bez nosné frekvence Tento druh zesilovače má rovnoměrně zesilovat signály o frekvenci několik Hz až několik MHz. Nejčastěji se používají pro zesílení obrazového signálu v televizní technice, proto se také nazývají obrazové (video) zesilovače.

Širokopásmové zesilovače bez nosné frekvence Základní zapojení širokopásmového zesilovače bez nosné frekvence představuje zesilovač s vazbou se členy RC. Takový zesilovač rovnoměrně zesiluje obrazové signály v dosti širokém frekvenčním pásmu. Průběh amplitudové frekvenční charakteristiky lze ovlivnit korekčními obvody (obr.6) u nichž se využívá laděných obvodů řazených do cesty signálu buď paralelně nebo sériově.

Širokopásmové zesilovače bez nosné frekvence Obr.6. Širokopásmový zesilovač bez nosné frekvence.

Širokopásmové zesilovače bez nosné frekvence Současné širokopásmové zesilovače jsou určené pro vysokofrekvenční a mikrovlnnou oblast řádově desítek GHz. Bývají často koncipovány jako kaskády tranzistorů, mezi nimiž jsou zařazeny reaktanční vazební obvody.

Širokopásmové zesilovače bez nosné frekvence Jedno z nejpoužívanějších zapojení je na obr. 7. Aktivními prvky jsou zde vysokofrekvenční dvojhradlové tranzistory MOSFET. Zátěž tranzistorů je tvořena jednoduchými rezonančními obvody LC, které mají rozdílné činitele jakosti Q1, Q2, Q3 a rozdílné rezonanční kmitočty f1, f2, f3. a proto se toto zapojení označuje jako rozloženě laděný zesilovač.

Širokopásmové zesilovače bez nosné frekvence Tyto zesilovače se používají jako: mezifrekvenční zesilovače běžných televizních přijímačů, první mezifrekvenční zesilovače přijímačů družicové televize, předzesilovače širokopásmových osciloskopů, čítačů a dalších elektronických měřících přístrojů.

Širokopásmové zesilovače bez nosné frekvence Obr. 7. a) rozloženě laděný širokopásmový zesilovač b) amplitudová kmitočtová charakteristika širokopásmového zesilovače

Děkuji za pozornost Ing. Ladislav Jančařík

Literatura J. Chlup, L. Keszegh: Elektronika pro silnoproudé obory, SNTL Praha 1989 M. Bezděk: Elektronika I, KOPP České Budějovice 2002