Jakie są zasady działania szerokopasmowego wzmacniacza?

Podstawowe pojęcia

Wzmacniacz szerokopasmowy to obwód elektroniczny zdolny do wzmacniania sygnałów w szerokim zakresie częstotliwości. W przeciwieństwie do wzmacniaczy wąskopasmowych, wzmocnienie wzmacniaczy szerokopasmowych pozostaje stosunkowo stabilne w stosunkowo szerokim zakresie częstotliwości.

Zasada działania

Wybór tranzystora i wykorzystanie jego charakterystyk

Wzmacniacze szerokopasmowe zwykle wykorzystują tranzystory o wysokich charakterystykach częstotliwości (takie jak wysokoczęstotliwościowe tranzystory bipolarnie lub polowe) jako elementy wzmacniające. Na przykład, tranzystor polowy (FET) ma charakterystyczną wysoką impedancję wejściową, co sprawia, że w obwodzie wzmacniacza szerokopasmowego może on zmniejszyć wpływ obciążenia na poprzedni obwód, co pozwala lepiej przyjmować i wzmacniać sygnał wejściowy. Wysokie częstotliwości mogą wpływać na pewne charakterystyki tranzystora (np. pojemność elektrod, częstotliwość graniczna itp.), co wpływa na wydajność wzmacniania. Dla wzmacniaczy szerokopasmowych wybierane są tranzystory o wyższej częstotliwości granicznej, a niekorzystne skutki czynników takich jak pojemność elektrod można zredukować poprzez odpowiednie zaprojektowanie obwodu.

Struktura obwodu i kompensacja częstotliwościowa

Struktura typu emiter-baza (CE-CB) lub źródło-bramka (CS-CG)

Wzmacniacze szerokopasmowe często wykorzystują kaskadowe struktury typu emiter-baza (dla tranzystorów bipolarnych) lub źródło-bramka (dla tranzystorów polowych). W przypadku struktury emiter-baza, etap emiterowy zapewnia większą wzmocnienie napięcia, a etap bazy ma lepsze charakterystyki częstotliwościowe (takie jak niższa pojemność wejściowa i wyższa częstotliwość graniczna). Sygnał wyjściowy etapu emiterowego jest bezpośrednio sprzężony z wejściem etapu bazy, a wysoka częstotliwość graniczna etapu bazy może rozszerzyć pasmo częstotliwości całego obwodu. Ta struktura może efektywnie poprawić zdolność odpowiedzi na wysokie częstotliwości wzmacniacza, jednocześnie zapewniając określone wzmocnienie napięcia, co pozwala osiągnąć wzmacnianie szerokopasmowe.

Technika kompensacji częstotliwościowej

Aby dalej rozszerzyć pasmo częstotliwości wzmacniacza, stosuje się również technikę kompensacji częstotliwościowej. Jedną z powszechnych metod jest użycie kompensacji pojemnościowej. Na przykład, dodaje się odpowiednią kondensator kompensacyjny do połączenia międzyetapowego wzmacniacza. Gdy częstotliwość sygnału wzrasta, reaktancja pojemnościowa kondensatora kompensacyjnego maleje, co może zapewnić dodatkową ścieżkę sygnałową, co poprawia charakterystyki wzmocnienia wzmacniacza w pasmie wysokich częstotliwości, sprawiając, że wzmocnienie wzmacniacza jest bardziej stabilne w szerokim zakresie częstotliwości.

Zastosowanie odwrotnej sprzężenia

Technologia odwrotnego sprzężenia jest szeroko stosowana w wzmacniaczach szerokopasmowych. Poprzez wprowadzenie sieci sprzężenia odwrotnego między wyjściem i wejściem wzmacniacza, można efektywnie poprawić wydajność wzmacniacza. Odwrotne sprzężenie może zmniejszyć wrażliwość wzmacniacza na zmiany wzmocnienia, sprawiając, że wzmocnienie wzmacniacza jest bardziej stabilne w szerokim zakresie częstotliwości. Na przykład, gdy częstotliwość sygnału wejściowego się zmienia, wyjście wzmacniacza nie doświadcza dużych wahnięć wzmocnienia dzięki odwrotnej sprzężeń. Ponadto, odwrotne sprzężenie może również poprawić liniowość wzmacniacza, zmniejszyć szum i zniekształcenia, co jest bardzo ważne przy przetwarzaniu sygnałów o różnych częstotliwościach i amplitudach w wzmacnianiu szerokopasmowym.