Amplificateur à double réglage - Double-tuned amplifier

Un amplificateur à double accord est un amplificateur accordé avec un couplage de transformateur entre les étages de l'amplificateur dans lequel les inductances des enroulements primaire et secondaire sont réglées séparément avec un condensateur sur chacun. Le schéma permet d'obtenir une bande passante plus large et des jupes plus raides qu'un seul circuit accordé .

Il existe une valeur critique du coefficient de couplage du transformateur à laquelle la réponse en fréquence de l'amplificateur est au maximum plate dans la bande passante et le gain est maximum à la fréquence de résonance . Les conceptions utilisent fréquemment un couplage supérieur à celui-ci (surcouplage) afin d'obtenir une bande passante encore plus large au détriment d'une petite perte de gain au centre de la bande passante.

La mise en cascade de plusieurs étages d'amplificateurs à double accord entraîne une réduction de la bande passante de l'amplificateur global. Deux étages d'amplificateur à double accord ont 80% de la bande passante d'un seul étage. Une alternative au double réglage qui évite cette perte de bande passante est le réglage échelonné . Les amplificateurs à réglage décalé peuvent être conçus pour une bande passante prescrite supérieure à la bande passante de n'importe quel étage. Cependant, le réglage échelonné nécessite plus d'étages et a un gain plus faible que le double réglage.

Circuit typique

Un amplificateur à double accord typique à 2 étages

Le circuit représenté se compose de deux étages d' amplificateur en topologie d' émetteur commun . Les résistances de polarisation remplissent toutes leurs fonctions habituelles. L'entrée du premier étage est couplée de manière classique avec un condensateur série pour éviter d'affecter la polarisation. Cependant, la charge du collecteur consiste en un transformateur qui sert de couplage entre les étages au lieu de condensateurs. Les enroulements du transformateur ont une inductance . Les condensateurs placés aux bornes des enroulements du transformateur forment des circuits résonants qui assurent l'accord de l'amplificateur.

Un autre détail que l'on peut voir dans ce genre d'amplificateur est la présence de prises sur les enroulements du transformateur. Ceux-ci sont utilisés pour les connexions d'entrée et de sortie du transformateur plutôt que pour le haut des enroulements. Ceci est fait à des fins d' adaptation d'impédance ; les amplificateurs à transistors à jonction bipolaire (du type illustré dans le circuit) ont une impédance de sortie assez élevée et une impédance d'entrée assez faible. Ce problème peut être évité en utilisant des MOSFET qui ont une impédance d'entrée très élevée.

Les condensateurs connectés entre le bas des enroulements secondaires du transformateur et la masse ne font pas partie de l'accord. Au contraire, leur but est de découpler les résistances de polarisation du transistor du circuit alternatif .

Propriétés

Le double accord, par rapport à l'accord simple, a pour effet d'élargir la bande passante de l'amplificateur et d'accentuer la jupe de la réponse. L'accord des deux côtés du transformateur forme une paire de résonateurs couplés qui est la source de l'augmentation de la bande passante. Le gain de l' amplificateur est fonction du coefficient de couplage , k , qui est lié à l' inductance mutuelle , M , et aux inductances d' enroulement primaire et secondaire , L _p et L _s respectivement , par

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

Il existe une valeur critique de couplage à laquelle le gain de l'amplificateur est maximum à la résonance. En dessous de cette valeur critique, il y a un seul pic dans la réponse en fréquence avec un pic d'amplitude à la résonance et le pic diminuant à mesure que k diminue. Une telle réponse est dite sous-couplée. Aux valeurs de k au-dessus du couplage critique, la réponse commence à se diviser en deux pics. Ces pics se rétrécissent et s'éloignent au fur et à mesure que k augmente et l'écart entre eux (centré sur la fréquence de résonance) devient progressivement plus profond. Une telle réponse est dite surcouplée.

Un amplificateur à couplage critique a une réponse qui est au maximum plate . Cette réponse peut également être obtenue sans transformateurs avec deux étages d'un amplificateur accordé en quinconce . Contrairement à l'accord décalé, le double accord accorde généralement les deux résonateurs à la même fréquence de résonance . Cependant, un concepteur peut choisir de concevoir un amplificateur surcouplé afin d'obtenir une bande passante plus large au détriment d'un petit creux (généralement 3 dB pour maximiser la bande passante de 3 dB ) au centre de la réponse en fréquence.

Comme le réglage synchrone , l'ajout de plusieurs étages d'amplificateurs à double réglage a pour effet de réduire la bande passante. La bande passante de 3 dB de n étages identiques, en fraction de la bande passante d'un seul étage, est donnée approximativement par,

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

Cette expression ne s'applique qu'aux petites bandes passantes fractionnaires.

Une analyse

Le circuit peut être représenté de manière plus générique en remplaçant les amplificateurs par un amplificateur à transconductance généralisé comme indiqué.

Représentation générique d'un étage d'un amplificateur à double accord et d'une partie de l'étage suivant

où (en omettant les suffixes des numéros d'étape),

g _m est la transconductance des amplificateurs

G _o est la conductance de sortie des amplificateurs

G _i est la conductance d'entrée des amplificateurs.

Typiquement, une conception rendra les fréquences de résonance et Q s sur les côtés primaire et secondaire identiques, de sorte que,

${\displaystyle \omega _{0}=\omega _{0\mathrm {p} }={1 \over {\sqrt {L_{\mathrm {p} }C_{\mathrm {p} }}}}= \omega _{0\mathrm {s} }={1 \over {\sqrt {L_{\mathrm {s} }C_{\mathrm {s} }}}}}$

et,

${\displaystyle Q=Q_{\mathrm {p} }={1 \over L_{\mathrm {p} }G_{\mathrm {o} }}=Q_{\mathrm {s} }={1 \over L_ {\mathrm {s} }G_{\mathrm {i} }}}$

où ω ₀ est la fréquence de résonance exprimée en unités de fréquence angulaire et les indices p et s désignent respectivement les composants du côté primaire et secondaire du transformateur.

Gain de scène

Réponse en fréquence de l'amplificateur à double réglage pour différentes valeurs de couplage

Avec les hypothèses ci-dessus, le gain de tension, A d'un étage de l'amplificateur peut être exprimé comme

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

où

${\style d'affichage i}$est l' unité imaginaire ,

${\displaystyle A_{0}={\frac {g_{\mathrm {m} }}{2{\sqrt {G_{\mathrm {o} }G_{\mathrm {i} }}}}}}$

est le gain maximum livrable par l'étage, et

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

est la fréquence exprimée comme l'écart de fréquence fractionnaire par rapport à la fréquence de résonance.

Fréquence de crête

Avec un couplage moins que critique, il y a un pic dans la réponse se produisant à la résonance. Au-dessus du couplage critique, il y a deux pics aux fréquences données par

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

où δ _L et δ _H sont respectivement les fréquences basses et hautes des pics exprimées en écart fractionnaire.

Avec un couplage critique ou supérieur, les pics atteignent le gain maximum disponible à partir de l'amplificateur.

Couplage critique

Le couplage critique se produit lorsque les deux pics coïncident. C'est quand

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

ou

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

Les références

Bibliographie

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• Bhargava, NN; Gupta, SC; Kulshreshtha DC, Electronique de base et circuits linéaires , Tata McGraw-Hill, 1984 ISBN  0074519654 .
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