Апериодические УРЧ увеличивают лишь отношение сигнал/шум и чувствительность приемника. Наиболее часто их применяют в транзисторных приемниках прямого усиления на ДВ- и СВ-диапазонах; В качестве нагрузки апериодических УРЧ может
Рис.9. Схемы апериодических каскадов усилителей радиочастоты:
а) – резисторная; б) – трансформаторная.
служить дроссель, резистор или трансформатор. Резисторный каскад УРЧ (рис. 9. а ) прост в исполнении и настройке. В трансформаторных УРЧ (рис. 9.б ) облегчается согласование выхода одного каскада с входом последующего. Кроме того, трансформаторный каскад УРЧ можно легко переделать в рефлексный.
Резонансные УРЧ, обеспечивают усиление сигнала и повышают не только реальную чувствительность, но и избирательность по зеркальному каналу. Транзисторные резонансные УРЧ в диапазонах ДВ, СВ и KB собирают по схеме с ОЭ (рис. 10 ), а в УКВ-диапазоне - по схеме с ОБ.
Каскады УРЧ могут содержать один или два резонансных контура. Усилитель радиочастоты с одним контуром дает меньшее усиление, но более прост в изготовлении и настройке. Схемы с индуктивной связью контуров позволяют изменять связь и получать наибольшее усиление или лучшую избирательность. Изменением связи по диапазону можно несколько компенсировать неравномерность коэффициента передачи входных цепей.
Усилители радиочастоты УКВ-диапазона выполняют по каскадным схемам. Они имеют лучшие характеристики, чем обычные УРЧ.
По усилению каскодный усилитель эквивалентен одно каскадному усилителю с проводимостью прямой передачи первого транзистора и нагрузкой второго. Каскодная схема используется в усилителях диапазона метровых волн. Первый каскад схемы выгодно выполнять на полевом транзисторе, обладающем низким уровнем шумов и малой активной входной проводимостью, при этом будет меньше шунтироваться избирательная система приемника, включенная на входе каскодного усилителя. Во втором каскаде предпочтителен дрейфовый транзистор, включаемый по схеме с ОБ и обеспечивающий наибольший устойчивый коэффициент усиления.
Рис.10. Каскад усилителя радиочастоты.
При таком выполнении каскодной схемы усилителя повышается его коэффициент устойчивого усиления, существенно снижается уровень шумов, повышается избирательность тракта радиосигнала приемника, что является их преимуществом. Аналогичными преимуществами обладают каскодные схемы (низкий уровень шумов и высокий коэффициент устойчивого усиления) на электронных лампах, обычно триодах, включаемых по схеме общий катод - общая сетка.
Принцип супергетеродинного приема.
Детектирование и усиление сигналов низкой частоты.
10.1 Назначение и основные характеристики усилителя радиочастоты
Усиление на частоте принимаемого сигнала производится с помощью усилителей радиочастоты (УРЧ). Кроме усиления должна обеспечиваться и частотная избирательность. Для этого усилители содержат резонансные элементы межкаскадной связи: одиночные колебательные контуры или системы связанных контуров.
Диапазонные УРЧ должны иметь контуры с переменной настройкой. Они чаще всего выполняются одноконтурными.
В диапазонах умеренно высоких частот активным элементом усилителя служит электронная лампа или транзистор.
На СВЧ применяются усилители с лампами бегущей волны, на туннельных диодах, параметрические и квантовые усилители.
В большинстве современных приемников используют однокаскадные УРЧ. Реже, при высоких требованиях к избирательности и коэффициенту шума, УРЧ могут содержать два или более каскадов.
Основные электрические характеристики усилителей:
1. Резонансный коэффициент усиления напряжения
В полосовых усилителях резонансный коэффициент усиления определяется на средней частоте полосы пропускания.
Коэффициентом усиления по мощности называют величину отношения мощности в нагрузке к мощности, потребляемой на входе усилителя:
где - активная составляющая входной проводимости усилителя; - активная составляющая проводимости нагрузки.
Нагрузкой УРЧ чаще всего служит вход следующего каскада усилителя или преобразователя частоты.
2. Избирательность усилителя показывает относительное уменьшение усиления при заданной расстройке. Иногда избирательность характеризуют коэффициентом прямоугольности.
3. Коэффициент шума, определяющий шумовые свойства усилителя.
4. Искажения сигнала в усилителе. В УРЧ искажения могут быть: нелинейные, вызываемые нелинейностью характеристики активного элемента, и линейные – амплитудно-частотные и фазо-частотные.
5. Устойчивость работы усилителя определяется его способностью сохранять в процессе эксплуатации основные характеристики, а также отсутствием склонности к самовозбуждению.
10.2 Схемы усилителя радиочастоты
В усилителях радиочастоты находят применение в основном две схемы включения активного элемента: с общим катодом (ОК) и общей сеткой (ОС) в ламповых усилителях; с общим эмиттером (ОЭ) и общей базой (ОБ) в транзисторных (биполярных) усилителях; с общим истоком (ОИ) и общим затвором (ОЗ) в каскадах на полевых транзисторах.
Усилители с общим катодом (эмиттером, истоком) в диапазонах километровых, гектометровых, декаметровых и метровых волн позволяют получить наиболее высокое усиление по мощности по сравнению с другими схемами включения.
Усилители с общей сеткой (базой, затвором) отличаются большей устойчивостью против самовозбуждения. Поэтому в дециметровом диапазоне волн ламповые усилители используются только в схеме с общей сеткой.
Транзисторные усилители с общей базой (затвором) используются и на более длинноволновых диапазонах.
Принципы построения и анализа резонансных усилителей идентичны для различных схем включения усилительных приборов, потому в основном будем рассматривать усилители с общим катодом (эмиттером, истоком).
По способу связи контура с активными элементами различают схемы с непосредственной, автотрансформаторной и трансформаторной связью.
Схемы с непосредственной связью контура используются при больших входных и выходных сопротивлениях активного элемента (например, в усилителях на электронных лампах и на полевых транзисторах).
Рисунок 10.1 Резонансный усилитель на полевом транзисторе
Рассмотрим схему резонансного усилителя на полевом транзисторе (рисунок 10.1).
Его отличие от резисторного в том, что в цепь стока включен колебательный контур, содержащий индуктивность и емкости , . Настраивается контур на резонансную частоту конденсатором переменной емкости .
На частоте резонанса контур имеет наибольшее эквивалентное активное сопротивление. При этом коэффициент усиления усилителя будет максимальным, называемым резонансным. На частотах, отличающихся от резонансной, эквивалентное сопротивление и коэффициент усиления уменьшаются, что определяет избирательные свойства усилителя.
Поскольку величина емкости конденсатора в 50 – 100 раз превышает максимальную емкость конденсатора , то резонансная частота контура определяется практически параметрами и .
В схеме применено последовательное питание стока через развязывающий фильтр и индуктивность (полевых транзисторах сток и исток можно поменять местами). Исходный режим на затворе определяется величиной падения напряжения тока истока на . Емкость устраняет отрицательную обратную связь по переменному току. Конденсатор разделительный. Резистор служит для подачи исходного напряжения на затвор.
Полевые транзисторы с изолированным затвором позволяют получить очень малую величину проходной емкости, обеспечивающую устойчивую работу усилителя даже на СВЧ, с показателями, лучшими, чем у электронных ламп.
Схемы с автотрансформаторной и трансформаторной связью контура позволяют устанавливать необходимую величину связи контура с активными элементами для достижения заданной избирательности и усиления, а также для повышения устойчивости работы усилителя.
Автотрансформаторная и трансформаторная схемы связи используются как в ламповых, так и в транзисторных усилителях, но особенно характерно их применение в усилителях на биполярных транзисторах, вследствие сравнительно малых входного и выходного сопротивлений у них даже на относительно невысоких частотах.
Рассмотрим автотрансформаторные и трансформаторные схемы связи на примере усилителей на биполярных транзисторах (рисунок 10.2, 10.3).
На рисунке10.2 приведена схема с двойной автотрансформаторной связью контура с транзисторами. Ее отличие от схемы рисунка 10.1 в том, что контур подключен к усилительным приборам с помощью отводов с коэффициентами трансформации и . Напряжение питания на коллектор подано через развязывающий фильтр и часть витков катушки индуктивности контура . Исходный режим и температурную стабилизацию обеспечивают с помощью резисторов . Емкость устраняет отрицательную обратную связь по переменному току. Конденсатор – разделительный, предотвращает попадание питающего напряжения коллектора в цепь базы.
Рисунок 10.2 Схема с двойной автотрансформаторной связью контура
На рисунке 10.3 приведена схема с трансформаторной связью.
Рисунок 10.3 Схема с трансформаторной связью
Контур имеет трансформаторную связь с коллектором транзистора данного каскада и автотрансформаторную со входом следующего. Трансформаторная связь конструктивно более удобна (более гибкая).
Общим для всех схем является двойное частичное включение контура. Полное включение можно рассматривать как частный случай, когда коэффициенты включения (трансформации) равны единице.
10.3 Обратные связи в усилителях радиочастоты
В усилителях в целом и в отдельных его каскадах всегда образуются цепи, создающие пути для прохождения усиливаемого сигнала с выхода на вход. Эти цепи создают обратные связи .
При сильной положительной обратной связи может наступить самовозбуждение и усилитель превратится в генератор незатухающих колебаний. Если из-за обратной связи усилитель не возбуждается, но близок к самовозбуждению, то его работа будет неустойчива.
При малейшем изменении параметров усилительного прибора, например из-за изменения напряжения источника питания, температуры, будут резко меняться и усиление и полоса пропускания усилителя. Поэтому к усилителю предъявляют требование устойчивости, под которым понимают не только необходимость отсутствия самовозбуждения, но главным образом постоянство его параметров в процессе эксплуатации.
Причины образования обратных связей в усилителях:
1. Наличие внутренней обратной проводимости в усилительных приборах, связывающей входные и выходные цепи каскадов.
2. Связь через общие источники питания нескольких каскадов усиления.
3. Индуктивные и емкостные обратные связи, возникающие между монтажными проводами, катушками и другими деталями усилителя.
Обратная связь в усилителях возможна через общие цепи питания, через внешние элементы схемы, через проводимость внутренней обратной связи активного элемента. Первые два вида обратной связи, в принципе, могут быть устранены рациональным построением схемы и конструкции усилителя.
Обратная связь через общий источник питания в многокаскадных схемах, где элементом связи служит его внутреннее сопротивление, является одной из важных причин неустойчивости усилителей.
Эти обратные связи ослабляются в нужной степени введением в усилитель соответствующих развязывающих фильтров, состоящих из резисторов и емкостей , и снижением внутреннего сопротивления источника питания для переменных токов (например, шунтированием его большой емкостью).
Вредные магнитные и емкостные обратные связи устраняются рациональной конструкцией усилителя и его монтажа и экранированием основных элементов входной и выходной цепи отдельных каскадов.
Внутренняя обратная связь , принципиально присущая усилительным приборам, является главной причиной неустойчивости усилителей. Поэтому ее наличие должно учитываться при расчете усилителей.
Рассмотрим влияние внутренней обратной связи. Внутренняя обратная связь в усилителе обусловлена обратной проводимостью .
На рисунке 10.4 приведена упрощенная принципиальная схема каскада усилителя с автотрансформаторным включением контура I во входную цепь и контура II в выходную цепь усилительного прибора.
Рисунок 10.4 К вопросу о влиянии внутренней обратной связи
Предположим, что контуры I и II достаточно хорошо экранированы один от другого и в цепи питания включены блокирующие фильтры. В этом случае единственным источником обратной связи, которая может привести к самовозбуждению усилителя, будет проводимость усилительного прибора.
Наличие в усилительных приборах внутренней обратной связи через проводимость приводит к влиянию нагрузки и выходной проводимости усилительного прибора на его входную проводимость и изменяет ее характер.
10.4 Устойчивость работы усилителя радиочастоты
Наличие в усилительных приборах внутренней обратной связи приводит к взаимному влиянию контуров УРЧ (входного I и выходного II, рисунок4), а также к нестабильности в процессе эксплуатации основных параметров усилителя: коэффициента усиления, полосы пропускания, избирательности и др.
Причем комплексный характер проводимости и крутизны усилительного прибора приводит к сложной частотной зависимости этого влияния.
Во входной контур I вносится дополнительная проводимость, которая в общем случае имеет комплексный характер и вызывает искажение формы его частотной характеристики.
Эти искажения тем сильнее, чем больше коэффициент усиления усилителя.
Для нормальной и устойчивой работы УРЧ необходимо обеспечить малое изменение формы его частотной характеристики под влиянием внутренней обратной связи. Для этого необходимо определить максимальное значение коэффициента усиления каскада, при котором эти искажения еще не будут влиять на качество работы усилителя.
Подобные искажения частотной характеристики под влиянием внутренней обратной связи приводят к неустойчивости ее формы. Небольшие изменения параметров усилительного прибора, вызванные неизбежными в процессе эксплуатации изменением температуры или режима питания, приводят к изменению формы частотной характеристики.
Для того чтобы форма частотной характеристики входного контура и его полоса пропускания не сильно искажались, необходимо, чтобы вносимая обратной связью проводимость практически не влияла на полную проводимость входного контура.
Усилитель считается устойчивым (устойчиво работающим), если внутренняя обратная связь усилительного прибора незначительно изменяет форму его частотной характеристики и полосу пропускания.
Для количественной оценки степени устойчивости используется коэффициент устойчивости, который характеризует влияние внутренней обратной связи на искажение частотной характеристики входного контура.
Коэффициент устойчивости равен отношению
где - эквивалентное сопротивление, добротность и полоса пропускания входного контура без учета влияния внутренней обратной связи;
Эквивалентное сопротивления, добротность и полоса пропускания входного контура с учетом влияния внутренней обратной связи.
Таким образом, за критерий устойчивости принимается величина, которая показывает, во сколько раз изменяется добротность и полоса пропускания входного контура за счет влияния внутренней обратной связи.
Если обратные связи отсутствуют, то и .
Если же обратные связи полностью скомпенсировали потреи во входном контуре и усилитель самовозбуждается, то и .
Таким образом, коэффициент устойчивости изменяется от 0 до 1. Чем больше коэффициент устойчивости, тем дальше усилитель от состояния самовозбуждения, тем меньше искажение формы его частотной характеристики и изменение полосы пропускания.
Можно допустить изменение полосы пропускания входного контура под влиянием внутренней обратной связи на (10-20)%, для чего обычно принимают .
Многокаскадные усилители более склонны к самовозбуждению за счет проводимости , чем однокаскадные.
10.5 Искажения в усилителях радиочастоты
Усиливаемые УРЧ сигналы обычно имеют сложную форму, т.е. состоят из колебаний различных частот с различными амплитудами и фазами. УРЧ может вносить в усиливаемый сигнал следующие виды искажений: амплитудно-частотные, фазо-частотные и нелинейные.
В связи с тем, что полоса пропускания УРЧ обычно значительно шире, чем основного избирательного тракта промежуточных частот, то практически УРЧ амплитудно-частотных искажений в усиливаемый сигнал не вносит. Такие УРЧ практически не вносят и фазо-частотных искажений, поскольку они широкополосные и обычно не содержат более двух каскадов.
Исключение составляют УРЧ диапазона километровых волн (10-500 кГц).
Наибольшую опасность в УРЧ представляют нелинейные искажения. Если характеристика усилительного прибора нелинейна для области амплитуд полезного сигнала на входе УРЧ, то в нем могут возникать нелинейные искажения.
При большой амплитуде мешающих сигналов и нелинейности характеристики усилительного прибора УРЧ между полезным и мешающим сигналами возникает нелинейное взаимодействие.
В результате появляются нелинейные явления, такие, как:
Перекрестная модуляция;
Забитие полезного сигнала мешающим сигналом;
Взаимная модуляция (интермодуляция) между мешающими сигналами, частоты которых не совпадают с частотой настройки УРЧ, на продукты их взаимодействия попадают в полосу пропускания полезного сигнала или совпадают с частотами дополнительных каналов приема.
Перекрестная модуляция проявляется в том, что сигнал мешающей станции, значительно отличающийся по частоте от сигнала принимаемой станции (полезного), на частоту которой настроен УРЧ, существует на выходе УРЧ одновременно с полезным сигналом.
При прекращении работы станции, на частоту которой настроен УРЧ (пропадании полезного сигнала), мешающий сигнал полностью пропадает.
Перекрестная модуляция возникает в УРЧ при одновременном взаимодействии на его входе двух и более (полезного и мешающих) сигналов, из которых хотя бы один мешающий сигнал большой амплитуды.
Этот сигнал с большей амплитудой перемещает рабочую точку усилительного прибора на нелинейной части его характеристики со своей собственной частотой.
В результате происходит изменение крутизны характеристики усилительного прибора за счет действия сильного мешающего сигнала и перенос модуляции с мешающего сигнала на полезный.
При этом ухудшается различимость полезного сигнала, а при больших уровнях помехи прием становится невозможным.
Величина перекрестной модуляции не зависит от амплитуды полезного сигнала, поэтому ее нельзя уменьшить за счет увеличения амплитуды полезного сигнала.
В коротковолновом диапазоне уровень мешающих сигналов на входе УРЧ может достигать единиц и даже десятков вольт.
Забитием УРЧ помехой называют уменьшение усиления УРЧ и соответствующее ослабление полезного сигнала под действием мешающего сигнала близкой частоты и очень большой амплитуды.
Полосу частот, в которой наблюдается это явление, называют полосой забития.
Явление забития объясняется теми же причинами, как и перекрестная модуляция.
При очень больших амплитудах мешающих сигналов происходит не только модуляция крутизны, но и уменьшение ее среднего значения; может также резко возрастать постоянная составляющая входного тока усилительного прибора.
Взаимная модуляция (интермодуляция) происходит в усилителе радиочастоты при одновременном воздействии на его входе двух и более мешающих сигналов (например, частоты и ) большой амплитуды, выходящей за пределы линейного рабочего участка характеристики усилительного прибора.
В результате взаимодействия этих сигналов возникают комбинационные помехи вида:
Совпадающие с частотой настройки УРЧ;
Совпадающие с частотой зеркального или дополнительного каналов;
Совпадающие с промежуточной частотой приемника.
Составляющие особенно опасны, так как контур УРЧ настроен на эту частоту.
Одним из лучших методов борьбы со всеми рассмотренными видами нелинейных искажений является улучшение эффективной избирательности УРЧ.
Для этого необходимо повысить избирательность входной цепи, применять в первых каскадах УРЧ усилительные приборы с линейной характеристикой и не включать первые каскады УРЧ в систему АРУ.
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЧАСТОТЫ
11.1 Назначение, структурная схема и принцип работы преобразователей частоты
Преобразователем частоты называют устройство, осуществляющее перенос спектра радиосигнала из одной области частот в другую без изменения характера модуляции. Они являются частью супергетеродинного приемника. В результате преобразования получается новое значение частоты , называемой промежуточной . Частота может быть как выше, так и ниже частоты сигнала ; в первом случае происходит преобразование частоты вверх, во втором – вниз.
Как видно из диаграмм напряжений на входе и выходе ПЧ (рисунок 11.1), при преобразовании частоты закон модуляции (в данном случае – амплитудной) не нарушается, а изменяется только частота несущего колебания на выходе преобразователя.
Рисунок 11.1 Временные диаграммы напряжений на входе (а) и выходе ПЧ (б)
Спектр преобразованного колебания (рисунок 11.2) сместился по оси частот влево (для ); при этом характер спектра не изменился.
Рисунок 11.2 Спектр частот на входе (а) и выходе ПЧ (б)
Здесь - частота модулирующего колебания; и - несущие частоты для и .
Для преобразования частоты в радиоприемниках используются линейные цепи с периодически меняющимися параметрами .
Структурная схема преобразования частоты (рисунок 11.3) содержит преобразовательный элемент ПЭ , гетеродин Г и фильтр Ф .
Рисунок 11.3 Структурная схема ПЧ
Режим работы ПЭ периодически во времени меняется под действием напряжения гетеродина с частотой гетеродина . В результате изменяется крутизна ВАХ преобразовательного элемента, что приводит к преобразованию сигнала.
Положим, что к ПЭ со строго квадратичной ВАХ (рисунок 11.4) приложены напряжение гетеродина и некоторое начальное напряжение смещения ; при этом .
Под действием напряжения гетеродина рабочая точка ПЭ начинает периодически изменяться во времени и, как следует из рисунка 11.4, крутизна в рабочей точке также будет периодически меняться от до . Так как , то при квадратичной ВАХ зависимость крутизны от напряжения линейна.
Рисунок 11.4 Вольт-амперная характеристика ПЧ
Следовательно, при косинусоидальном напряжении крутизна изменяется также по косинусоидальному закону и содержит постоянную составляющую и первую гармонику. Тогда
где - постоянная составляющая крутизны ПЭ; - амплитуда первой гармоники крутизны ПЭ.
Ток на выходе ПЭ . Эта формула приближенная, поскольку она не учитывает ток сопротивления нагрузки.
Пусть на входе ПЭ действует сигнал , где - функции времени.
Подставив в выражение для тока значения и , получим
Используя правило перемножения косинусов, запишем
Согласно (11.1), ток на выходе ПЭ содержит составляющие трех частот: частоты сигнала , суммарной частоты и разностной частоты .
Из составляющих выходного тока используют только составляющую разностной частоты (полезная составляющая):
Фильтр на выходе преобразователя частоты выделяет только эту составляющую выходного тока, поэтому напряжение на выходе преобразователя определяется током .
Согласно (11.2), амплитуда полезной составляющей выходного тока пропорциональна амплитуде сигнала , следовательно, при преобразовании частоты закон изменения амплитуды сигнала (амплитудная модуляция) сохраняется.
Фаза тока также соответствует фазе исходного сигнала , т.е. при преобразовании частоты фазовая модуляция сохраняется.
Амплитуда тока зависит от амплитуды гармоники крутизны . При : ; (преобразования по частоте не происходит). Чем больше , тем больше , а следовательно, больше амплитуда тока и амплитуда напряжения на выходе преобразователя.
Преобразователи частоты подразделяют:
В зависимости от вида ПЭ: диодные, транзисторные, интегральные ;
В зависимости от числа ПЭ: простые (один ПЭ), балансные (два ПЭ), кольцевые (четыре ПЭ).
Если , то положение боковых полос сигнала относительно несущей частоты после преобразования частоты не изменяется (неинвертирующий преобразователь частоты ).
Если , то боковые полосы после преобразования меняются местами, нижняя становится верхней, и наоборот (инвертирующий преобразователь частоты ).
Выводы:
1. При преобразовании частоты закон модуляции входного напряжения не нарушается, а изменяется только несущая частота.
2. Для преобразования частоты используются линейные цепи с периодически меняющимися параметрами.
3. Под действием напряжения гетеродина периодически во времени меняется режим работы ПЭ, в результате чего меняется с частотой крутизна ПЭ. При этом ток на выходе ПЭ содержит помимо составляющей с частотой сигнала ряд комбинационных составляющих, одна из которых с частотой (обычно или ), выделяемая фильтром, создает напряжение на выходе преобразователя частоты.
11.2 Общая теория преобразования частоты
При анализе преобразователя частоты по аналогии с резонансными усилителями решают две задачи:
1) определяют выходное напряжение , для чего находят полезную составляющую тока промежуточной частоты, которая совпадает с резонансной частотой фильтра, после чего рассчитывают основные показатели преобразователя -–коэффициент усиления, АЧХ, ФЧХ и т.д.;
2) находят составляющую входного тока преобразователя на частоте сигнала , создающую нагрузку для источника сигнала.
Анализ проведем при следующих допущениях:
1) полагаем, что на ПЭ (рисунок 11.3) действуют три гармонических напряжения:
Напряжения на входном и выходном фильтрах создаются входными и выходными токами различных комбинационных частот. Обычно эти напряжения малы, поскольку сопротивления фильтров для комбинационных частот незначительны;
2) считаем ; , т.е. полагаем ПЭ работающим в линейном режиме относительно напряжения сигнала ; относительно напряжения гетеродина ПЭ всегда работает в нелинейном режиме;
3) ПЭ является безынерционным устройством, не содержащим емкостных и индуктивных элементов; поэтому его ток не зависит от производных или интегралов приложенных к ПЭ напряжений. Для безынерционного ПЭ входной и выходной токи определяются статическими ВАХ:
Составляющая тока не содержит полезной составляющей тока с частотой
Преобразование частоты возможно на любой гармонике крутизны:
Из этих значений используется только одно.
Если при , то преобразование частоты называется простым .
Если при , то преобразование частоты называют комбинационным ; оно возможно из-за появления гармоник крутизны.
Таким образом, из всех составляющих выходного тока только одна с частотой является полезной:
где соответствует (только при составляющая тока имеет промежуточную частоту).
В выражении (11.8) первое слагаемое характеризует преобразование частоты, второе – реакцию фильтра.
Крутизна прямого преобразования по определению крутизны при . Согласно (11.8),
где - коэффициент пропорциональности между амплитудой выходного тока промежуточной частоты и амплитудой напряжения сигнала на входе при короткозамкнутом выходе ПЭ.
Внутренняя проводимость преобразователя частоты по определению, при . Согласно (7.8), внутренняя проводимость преобразователя равна постоянной составляющей внутренней проводимости ПЭ:
Внутренний коэффициент усиления преобразователя
С учетом принятых обозначений
11.3 Частотная характеристика преобразователя
Под АЧХ преобразователя частоты понимают зависимость его коэффициента передачи от частоты входного сигнала при фиксированной частоте гетеродина; частота сигнала изменяется в широких пределах.
Пусть в качестве фильтра преобразователя используется одиночный резонансный контур, настроенный на частоту (рисунок 11.5).
Рисунок 11.5 Эквивалентная схема ПЧ
С изменением при фиксированном значении промежуточная частота меняется.
Рисунок 11.6 Графические зависимости
Графические зависимости , построенные согласно (7.7), показаны на рисунке 11.6,а . При ; при и т.д.
Таким образом, различным значениям соответствуют различные значения , причем значение зависит от номера гармоники крутизны, на которой происходит преобразование частоты. Напряжение на выходном контуре преобразователя появится только при выполнении условия резонанса, т.е. при .
Согласно рисунок6а , условие резонанса выполняется не на одной частоте сигнала, а на нескольких частотах ; следовательно, АЧХ преобразователя имеет несколько подъемов. Каждому подъему соответствует определенная полоса пропускания, через которую на выход приемника могут проходить составляющие спектра сигнала и помех. Такие полосы пропускания называют каналами приема . Каждый канал соответствует своей частоте сигнала. АЧХ преобразователя показана на рисунок60б , форма АЧХ каждого канала зависит от вида фильтра ПЧ.
11.4 Диодные преобразователи частоты
Потребляемый ток - 46 мА. Напряжение в цепи смещения V bjas определяет уровень выходной мощности (коэффициент передачи) усилителя
Рис.33.11. Внутреннее строение и цоколевка микросхем TSH690, TSH691
Рис. 33.12. Типовая включения микросхем TSH690, TSH691 в качестве усилителя в полосе частот 300- 7000 МГц
и может регулироваться в пределах 0-5,5 (6,0) В. Коэффициент передачи микросхемы TSH690 (TSH691) при напряжении смещения V bias =2,7 В и сопротивлении нагрузки 50 Ом в полосе частот до 450 МГц составляет 23(43) дБ, до 900(950) МГц - 17(23) дБ.
Практическая включения микросхем TSH690, TSH691 приведена на рис. 33.12. Рекомендуемые номиналы элементов: С1=С5=100- 1000 пФ; С2=С4=1000 пФ; С3=0,01 мкФ; L1 150 нГн; L2 56 нГн для частот не свыше 450 МГц и 10 нГн для частот до 900 МГц. Резистором R1 можно регулировать уровень выходной мощности (можно использовать для системы автоматической регулировки выходной мощности).
Широкополосный INA50311 (рис. 33.13), производимый фирмой Hewlett Packard, предназначен для использования в аппаратуре подвижной связи, а также в бытовой радиоэлектронной аппаратуре, например, в качестве антенного усилителя или усилителя радиочастоты. Рабочий диапазон усилителя 50-2500 МГц. Напряжение питания - 5 В при потребляемом токе до 17 мА. Усредненный коэффициент усиления
Рис. 33.13. внутреннего строения микросхемы ΙΝΑ50311
10 дБ. Максимальная мощность сигнала, подводимого к входу на частоте 900 МГц, не более 10 мВт. Коэффициент шума 3,4 дБ.
Типовая включения микросхемы ΙΝΑ50311 при питании от стабилизатора напряжения 78LO05 приведена на рис. 33.14.
Рис. 33.14. широкополосного усилителя на микросхеме INA50311
Шустов М. А., Схемотехника. 500 устройств на аналоговых микросхемах. - СПб.: Наука и Техника, 2013. -352 с.
Панасюк Анатолий Георгиеаич
Должность:
преподаватель
Учебное заведение:
ГБПОУ КК "Краснодарский колледж электронного приборостроения"
Населённый пункт:
Краснодар
Наименование материала:
Радиоприёмные устройства
Тема:
Усилители радиочастоты
Дата публикации:
05.01.2018
Раздел:
среднее профессиональное
Усилители радиотракта
Глава 3
Усилители радиотракта
3.1 Усилители радиочастоты (УРЧ), функции, основные
качественные показатели.
3.1.1 Схемы УРЧ, устойчивость УРЧ.
Основные функции УРЧ.
1. Усиление принимаемых сигналов на несущей частоте, необходимое для
улучшения реальной чувствительности РПрУ.
2. Обеспечение селективности (избирательности) РПрУ к сильным помехам,
и селективности по побочным каналам приёма (зеркальный канал, прямой и
промежуточный канал).
Основные качественные показатели.
1. Коэффициент усиления напряжения
Кu=Uвыx/Uвх; K=20 lgKu
Для многокаскадного УРЧ общий коэффициент усиления
K1xK2…..Kn
2. Селективность - показывает, насколько уменьшается коэффициент
усиления на частоте мешающего сигнала
Se=Kо/K; Se==20lg Ко/К
3. Полоса пропускания характеризует широкополосность УРЧ.
4. Коэффициент перекрытия диапазона (ширина диапазона)
5. Устойчивость работы - характеризует способность УРЧ сохранять
основные показатели при изменении внешних и внутренних факторов среды
(температуры, изменение напряжения питания).
Рис. 3.1 Обобщённая схема УРЧ
3.1.2 Анализ обобщённой схемы резонансного одноконтурного УРЧ.
На вход УП (усилительного прибора) поступает сигнал, который необходимо
выходному
электроду
колебательного контура (Lк,Ск) . Выходной сигнал снимается с контура и
подаётся на вход следующего каскад, проводимость которого равна Y
общем случае колебательный контур подключается к выходному электроду УП
и нагрузке частично, с коэффициентом включения ml и m2. коэффициент
включения называется отношение части напряжения, снимаемое с контура
(Uвых) к полному напряжению на контуре (U
В общем случае резонансный коэффициенте усиления равен
где ml m2 - коэффициент включения
S - крутизна характеристики усилительного прибора
Резонансное сопротивление контура
3.1.3 Принципиальная схема УРЧ с автотрансформаторным включением
контура и автотрансформаторной связью со следующим каскадом.
Рис. 3.2 Принципиальная схема УРЧ
Усилители радиотракта
поступлении
напряжения
частотой
резонансной
коллекторной
транзистора
появляется переменный ток l
Протекая через резонансный контур (Lк, Ск, Сп)
переменная составляющая коллекторного тока создаёт на нём падение
напряжения Un. Часть этого напряжения снимается с отвода контурной катушки
Lк, и подаётся через конденсатор связи Сб на следующий каскад (базу
транзистора УТ2). База биполярного транзистора VТ2 подключена к части
выходной резонансной цепи Lк Ск, во избежание её сильного шунтирования
малых (1500 - 2500 Ом) входным сопротивлением транзистора. Коэффициент
включения m2, характеризующий степень связи базы транзистора VТ2 с
резонансной цепью Lк Ск всегда значительно меньше единицы. Коллектор
транзистора VT1 подключён к части контура. Неполная связь коллектора с
контуром Lк, Ск,Сп применяется для ослабления шунтирования контура
выходной цепью транзистора и для обеспечения устойчивой работы каскада.
3.1.4 Устойчивость РУ.
При определённых условиях РУ может самовозбуждаться и работать как
автогенератор с частотой, близкой к его резонансной. Это связано с наличием
внутренней обратной связи через транзистор (внутритранзисторная емкостная
ОС за счёт ёмкости перехода коллектор-база).
При создании усилителя важно, чтобы он не только не самовозбуждался,
но и с необходимым запасом обеспечивалась устойчивость при воздействии
различных
дестабилизирующих
факторов
климатических механических воздействий, нагрев УП) такой запас достигается
при выполнении условия:
где: Ко - резонансный коэффициент усиления определяемый из формулы
выше; Куст- устойчивый коэффициент усиления каскада.
где: S - крутизна транзистора
Ск - внутритранзисторная ёмкость ОС, равная ёмкости перехода коллектор
3.1.5 Меры повышения устойчивости РУ.
1. ДЛЯ УРЧ с фиксированной настройкой с целью повышения
устойчивости применяется нейтрализация ёмкости Ск.
Схема УРЧ с нейтрализацией
Рис. 3.3 Схема УРЧ с нейтролизацией
действия
заключается
введении
дополнительной
электрической цепи, по своим свойствам являющейся противоположной
проводимости ОС. Введение последовательной цепочки Rn и Сп должно быть
таким, чтобы обеспечивался поворот фазы напряжения нейтрализации на
180° относительно напряжения ОС. Часто для нейтрализации используется
только одна ёмкость.
2. УРЧ с транзистором, включенными по схеме с ОБ.
В таких УРЧ область базы транзистора при соединении её с общей точкой
схемы резко ослабляет емкостную связь между входом и выходом усилителя,
тем самым повышая его устойчивость.
Рис. 3.4 Схема УРЧ с ОБ
Усилители радиотракта
устойчивость
транзистор
работоспособен в более широкой полосе частот. Связь транзистора с
выходным контуром автотрансформаторная, с входным контуром через
емкостной
делитель,
входного
источником
трансформаторная,
выходного
последующим
каскадом
автотрансформаторная. УРЧ используется в приёмниках УКВ.
4. Каскадная схема УРЧ. Такой схемой называется схема, в которой
используется две различных схемы включения усилительных приборов.
Наиболее распространена комбинация схем включения ОЭ - ОБ.
Рис. 3.5 Каскодная схема УРЧ
Каскодные схемы сочетают в себе высокие усилительные свойcтвa схемы
включения
значительное
выходное
сопротивление
устойчивостью схемы с ОБ.. Каскадные усилители обеспечивают более
высокое устойчивое усиление, чем у двух каскадного усилителя на этих же
транзисторах.
Транзистор VT1 первого каскада каскадного усилителя включен по схеме
обеспечивает
достаточно
сопротивление
усилителя; при этом селективность (избирательность) цепи источника сигнала
снижается незначительно. Нагрузкой коллекторной цепи VT1 служит малое
входное сопротивление второго каскада каскадного усилителя, включённого
по схеме с ОБ. По этой причине первый каскад усилителя обеспечивает
усиление сигнала практически только по мощности, а второй по напряжению;
в целом усилитель обеспечивает высокое усиление и по мощности и по
напряжению. Применяется в РПУ метрового диапазона (УКВ).
3.2 Полосовые усилители.
Полосовыми усилителями называются усилители АЧХ которых близка к
прямоугольной.
Вследствие
полосовые
усилители
обеспечивают
равномерное
усиление
пропускания
ослабление
расположенных
резонансной
мешающих
сигналов.
применяются
качестве
усилителей
промежуточной
частоты(УПЧ) РПрУ, обеспечивая ослабление влияния близко расположенных
мешающих
сигналов
соседних
Полосовые
усилители
большинстве случаев, не перестраиваются, Т.е. предназначены для работы
на одной частоте настройки.
Рис. 3.6 АЧХ Полосового усилителя
Лучшая форма АЧХ ПУ достигается за счёт использования двухконтурных
(многоконтурных)
резонансных
специальных
фильтров ФСС. Они представляют собой избирательные системы с высокой
крутизной спада, коэффициент передачи за границей полосы пропускания.
практике
применяются
различные
многоконтурные и многозвенные, электромеханические, пьезоэлектрические,
пьезомеханические, пьезокерамические.
3.2.1 Схема УПЧ на двухсвязных контурах.
Рис. 3.7 Схема УРЧ с ДПФ
Усилители радиотракта
Рис. 3.8 Ачх УРЧ с ДПФ
При критической связи между контурами когда В=l АЧХ имеет один
максимум, уплощенную вершину и хорошую равномерность в полосе пр
опускания при В> 1 АЧХ получается с двумя боковыми максимумами. При
увеличении
увеличивается
пропускания
расширяется и вместе с тем увеличивается неравномерность в полосе
пропускания. При В < 1 АЧХ имеет один максимум но полоса пропускания
меньше чем при В= 1. Таким образом наивыгоднейшей связью между
контурами является критической В= 1.
полосового
усилителя
сравнению
одноконтурного РУ отличается более прямоугольной формой, что говорит о
лучшей селективности заданной полосы частот.
3.2.2 УПЧ с фильтром сосредоточенной селекции.
Рис.3.9 Схема УРЧ с ФСС на LC-звеньях
дискретных
элементах
элементах
колебательных контуров, связь между которыми в основном емкостная, но
может быть индуктивной и комбинированной. Приведённая схема УПЧ с ФСС
двухконтурных
согласованных
волновому
сопротивлению
емкостной
контурами.
транзистором
автотрансформаторная
последующим
каскадом
трансформаторная. Степень связи с ФСС выбирают исходя из согласования
выходного сопротивления VТ1 и входного сопротивления последующего
каскада. Для ослабления магнитных связей между катушками их обычно
помещают в экран. Внешние контуры L 1 С 1 и L3 C3 являются полузвеньями
ФСС. Количество звеньев в ФСС определяется количеством конденсаторов
3.2.3 УПЧ с Пьезокерамическим фильтром
габариты,
изготовлении,
обладают
затуханием в полосе пропускания и высоким коэффициентом прямоугольности
пропускания, что требует включения перед фильтром резонансного контура
обеспечивающего согласование выходного сопротивления транзистора с
вxoдным сопротивлением фильтра.
Рис. 3.10 УПЧ с ПКФ
В качестве примера приведём данные пьезокерамического фильтра типа
Ф П1П - 23 на промежуточную частоту 465 кГц. Полоса пропускания по
уровню 0,5 (вдб) - 9,5 кГц, селективность при расстройке:±9кГц - 40 дб;
вносимое затухание в полосе пропускания не более 9,5 дб Rвх = Квых = 2 кОм.
1. В УРЧ (УВЧ) приёмников наиболее широко используются одноконтурные
транзисторные
усилители.
устойчивое
усиление
обеспечивают
каскадные УРЧ.
2. В УПЧ с распределённой селекцией большая часть каскадов резонансная
Усилители радиотракта
результирующая
определяется
произведением
отдельных каскадов. В УПЧ с сосредоточенной селекцией результирующая
АЧХ определяется в основном АЧХ ФСС являющегося нагрузкой одного из
каскадов УПЧ (смесителя) остальные каскады могут быть апериодически или
широкополосными.
3. В качестве ФСС в УПЧ находят применение фильтры на дискретных LC
Звеньях, электромеханические, кварцы и пьезокерамические.
3.3 Схемы, конструкции и характеристики усилителей
радиосигналов
На умеренно высоких частотах используют УРЧ на биполярных (БТ) и
полевых (ПТ) транзисторах с высокими граничными частотами. Современная
интегральная
технология
позволяет
изготавливать
полупроводниковые
гибридные интегральные микросхемы (ИМС) усилителей радиосигналов (УРЧ
и УПЧ) с внешними избирательными цепями (колебательными контурами и
фильтрами). Здесь возможно также использование интегральных активных RС-
фильтров, однако их частотные свойства ограничены. Поэтому иногда активные
RC-yстройства используют одновременно с фильтрующими системами с
сосредоточенными параметрами (контурами, пьезокерамическими и другими
фильтрами). В этом случае они выполняют роль усилителей и устройств
Рис. 3.11 Схемы УРЧ с использованием полевого транзистора ИМС
согласования.
приведена
транзисторе
трансформаторным
включением
колебательного
Колебательный контур перестраивается варикапом, на который подается
управляющее напряжение смещения Uу. Требуемая устойчивость каскада
достигается
коэффициента
усиления,
меньшего
коэффициенту устойчивого усиления.
На рис. 3.11б, а дана принципиальная схема ИМС, предназначенной для
УРЧ, работающих на частотах до 150 МГц, на рис. 3.11, б - вариант ее
применения. Схема содержит каскодный усилитель (ОЭ-ОБ) на транзисторах
VT2 и VT1 , что обеспечивает высокую устойчивость. С помощью транзистора
VT3 осуществляется регулировка усиления ИМС, для чего необходимо
изменять управляющее напряжение Uу на выводе 9 , что приводит к
изменению
эмиттерного
величины
напряжения
следовательно, смещения на эмиттере VT2. С помощью диодов VD1, VD2,
резисторов R1-R3 (температурно-зависимого делителя базового смещения) и
цепей обратной связи достигается высокая стабильность параметров ИМС: в
интервале температур от -60 до +70°С изменение Y 21 | не превышает ±25
%. Усиление ИМС на частоте 10 МГц не менее 200 (сопротивление нагрузки
100 Ом), напряжение питания 6,3 В (± 10 %), потребляемая мощность 20 мВт.
Для ИМС характерен относительно низкий уровень шумов: на частоте 180МГц
коэффициент шума не более 7 дБ.
приведена
резонансного
применяться на частотах до 60 МГц. Она содержит ИМС 175УВ4, основу
которой составляет каскодный усилитель с дифференциальным каскадом.
Входной сигнал с контура входной цепи подается на базу транзистора VT4 ,
включенного но схеме с ОЭ, и усиливается далее транзистором VT3 (ОБ)
Такое включение позволяет повысить устойчивость усилителя и увеличить
Рис. 3.12 Принципиальная схема УРЧ на ИМС 175УВ4 работающего в
диапазоне частот
Усилители радиотракта
его выходное сопротивление, что допускает полное включение нагрузочного
Регулировка
усиления
осуществляться
управляющего напряжения: Uу на базу транзистора VT2 дифференциального
каскада. Так как ток эмиттера транзистора VT3 остается постоянным, то
входное сопротивление УРЧ в процессе регулировки усиления не изменяется,
что стабилизирует АЧХ усилителя в широком диапазоне изменения его
усиления.
выходной
перестраиваются
варикапов, входящих в состав варикапной матрицы. Для уменьшения влияния
нелинейных эффектов в каждом из контуров используют по два варикапа,
включенных последовательно по переменному току, что позволяет уменьшить
влияние нелинейностей четных порядков.
На СВЧ находят применение УРЧ на СВЧ-транзисторах (до сантиметровых
волн включительно), СВЧ-электронных лампах (метровый и дециметровый
диапазоны), ЛБВ, приборах с "отрицательным" сопротивлением, а также
параметрические и квантовые усилители.
Транзисторные усилители в последнее время широко распространены в
СВЧ-технике. Наряду с БТ используются ПТ с затвором типа барьера Шотки
(ПТШ) на основе арсенида галлия. В последнем случае можно повысить
рабочую частоту УРЧ до 80 ГГц (сравнительно с 15 ГГц для БТ), что
объясняется большой подвижностью носителей в ПТШ. На частотах 0,3-30 ГГц
коэффициент усиления транзисторных однокаскадных усилителей составляет
около 5-6 дБ при полосе 3-4 % от несущей, коэффициент шума около 6 дБ
Характерно, что режимы согласования УРЧ по шумам и мощности для ПТШ
отличаются в меньшей степени, чем для БТ. Конструктивно транзисторы
выполняются на основе безвыводного кристалла, кристалла с выводами, в
Рис. 3.13 Схемы УРЧ СВЧ диапазона
условно герметичной (не по всем внешним воздействиям) и полностью
герметичной конструкциях.
В качестве согласующих цепей на входе и выходе каскада используют
трансформирующие фильтры, выполненные на отрезках длинных линий, в
том числе полосковых, волноводах или на сосредоточенных элементах (в
длинноволновой части диапазона). Если согласование осуществляется в
широком диапазоне частот, то следует учесть падение усиления каскада с
ростом частоты. Поэтому можно осуществить согласование на верхней
границе диапазона, а на более низких частотах перейти к рассогласованию
применить
частотно-зависимые
устройства
элементы
диссипативными потерями, которые увеличиваются с ростом частоты. В
результате удается выравнять частотную характеристику Кр и получить малый
КСВн в широком диапазоне частот. Наибольшее применение на СВЧ находит
схема включения с ОЭ (ОИ), позволяющая получить наибольшее усиление и
наилучшие шумовые характеристики.
На рис. 3.13,а приведена электрическая схема малошумящего усилителя
диапазона
сантиметровых
Конструктивно
выполняется
сапфировой подложке, на которую наносятся тонкопленочные резисторы,
индуктивности, конденсаторы и соединительные элементы. Согласующе-
трансформирующие цепи имеют вид отрезков полосковых линий (на рис. 4.50
заштрихованы). Параметры усилителя следующие: Кр. = 25 дБ, диапазон
усиливаемых частот 3,5-4,2 ГГц, Кш=5 дБ, КСВн < 2, потребляемый ток 30
мА при напряжении источника 12B.
На СВЧ нашли применение также балансные УРЧ, структурная схема
которых приведена на рис. 3.13,б Как видно, мощность входного сигнала через
направленный делитель поступает на два одинаковых усилительных каскада,
а затем суммируется в направленном сумматоре. Резисторы Rбал. являются
поглощающими, что улучшает согласование и обеспечивает малый КСВн на
Усилители радиотракта
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ И ПОВТОРЕНИЯ
требования
предъявляются
усилителям
радиосигналов
зависимости oт области их применения?
2. Назовите и сравните различные виды параметров, используемых для
описания усилительных приборов в усилителе радиосигналов.
3. В чем заклю чается сущность иммитансного метода исследования
устойчивости усилителя радиосигналов?
4. В чем отличие коэффициента устойчивости усиления от коэффициента
предельного усиления усилителя радиосигналов?
5.Укажите методы борьбы с генерацией в усилителе радиосигналов. В чем
6. Как повысить коэффициент усиления усилителя радиосигналов?
7. Начертите схемы резонансных УРЧ, укажите назначения всех элементов.
8. Как изменяется в диапазоне частот резонансный коэффициент усиления
УРЧ? Как устранить влияние неравномерности его характеристики на работу
9. В чем достоинства каскодного УРЧ?
Начертите
полосовых
усилителей
радиочастоты,
назначения всех элементов.
11. Каковы зависимости основных характеристик полосового усилителя
высокой частоты от числа каскадов?
12. Почему в активных фильтрах возможно подавление помех приему без
использования индуктивных компонентов?
13. Каковы особенности работы RС-фильтров на высоких частотах?
14. Сравните между собой различные виды полосовых усилителей высокой
частоты с высокоэффективными избирательными цепями.
характеристики
приборов
"отрицательным" сопротивлением?
16. Сравните особенности УРЧ различных диапазонов волн.
усилителя.
качестве
делителя
сумматора
использоваться различные устройства, например шлейфные мосты (рис. 3.14)
балансного
усилителя
характерно
усиление,
различие
согласования
мощности
динамический диапазон, однако его использование требует принятия мер по
обеспечению идентичности плеч усилителя.
Усилители высоких частот (УВЧ) применяются для увеличения чувствительности радиоприемных средств - радиоприемников, телевизоров, радиопередатчиков. Помещенные между приемной антенной и входом радио или телеприемника, подобные схемы УВЧ увеличивают сигнал, поступающий от антенны (антенные усилители).
Использование таких усилителей позволяет увеличить радиус уверенного радиоприема, в случае радиостанций (приемо-передающих устройств -приемопередатчиков) либо увеличить дальность работы, либо при сохранении той же дальности уменьшить мощность излучения радиопередатчика.
На рис.1 приведены примеры схем УВЧ, часто используемых для увеличения чувствительности радиосредств. Значения используемых элементов зависят от конкретных условий: от частот (нижней и верхней) радиодиапазона, от антенны, от параметров последующего каскада, от напряжения питания и т.д.
На рис.1 (а) приведена схема широкополосного УВЧ по схеме с общим эмиттером (ОЭ). В зависимости от используемого транзистора данная схема может успешно применяться до частот в сотни мегагерц.
Необходимо напомнить, что в справочных данных на транзисторы приводятся предельные частотные параметры. Известно, что при оценке частотных возможностей транзистора для генератора, достаточно ориентироваться на предельное значение рабочей частоты, которое должно быть, как минимум, в два-три раза ниже предельной частоты, указанной в паспорте. Однако для ВЧ-усилителя, включенного по схеме ОЭ, предельную паспортную частоту уже необходимо уменьшать, как минимум, на порядок и более.
Рис.1. Примеры схем простых усилителей высокой частоты (УВЧ) на транзисторах.
Радиоэлементы для схемы на рис.1 (а):
- R1=51к(для кремниевых транзисторов), R2=470, R3=100, R4=30-100;
- С1=10-20, С2= 10-50, С3= 10-20, С4=500-Зн;
Значения конденсаторов приведены для частот УКВ-диапазона. Конденсаторы типа КЛС, КМ, КД и т.д.
Транзисторные каскады, как известно, включенные по схеме с общим эмиттером (ОЭ), обеспечивают сравнительно высокое усиление, но их частотные свойства относительно невысоки.
Транзисторные каскады, включенные по схеме с общей базой (ОБ), обладают меньшим усилением, чем транзисторные схемы с ОЭ, но их частотные свойства лучше. Это позволяет использовать те же транзисторы, что и в схемах с ОЭ, но на более высоких частотах.
На рис.1 (б) приведена схема широкополосного усилителя высокой частоты (УВЧ) на одном транзисторе, включенном по схеме с общей базой . В коллекторной цепи (нагрузка) включен LС-контур. В зависимости от используемого транзистора данная схема может успешно применяться до частот в сотни мегагерц.
Радиоэлементы для схемы на рис.1 (б):
- R1=1к, R2=10к. R3=15к, R4=51 (для напряжения питания ЗВ-5В). R4=500-3 к (для напряжения питания 6В-15В);
- С1=10-20, С2= 10-20, С3=1н, С4=1н-3н;
- Т1 - кремниевые или германиевые ВЧ-транзисторы, например. КТ315. КТ3102, КТ368, КТ325, ГТ311 и т.д.
Значения конденсаторов и контура приведены для частот УКВ-диапазона. Конденсаторы типа КЛС, КМ, КД и т.д.
Катушка L1 содержит 6-8 витков провода ПЭВ 0.51, латунные сердечники длиной 8 мм с резьбой М3, отвод от 1/3 части витков.
На рис.1 (в) приведена еще одна схема широкополосного УВЧ на одном транзисторе , включенном по схеме с общей базой . В коллекторной цепи включен ВЧ-дроссель. В зависимости от используемого транзистора данная схема может успешно применяться до частот в сотни мегагерц.
Радиоэлементы:
- R1=1к, R2=33к, R3=20к, R4=2к (для напряжения питания 6В);
- С1=1н, С2=1н, С3=10н, С4=10н-33н;
- Т1 - кремниевые или германиевые ВЧ-транзисторы, например, КТ315, КТ3102, КТ368, КТ325, ГТ311 и т.д.
Значения конденсаторов и контура приведены для частот СВ-, КВ-диапазона. Для более высоких частот, например, для УКВ-диапазона, значения емкостей должны быть уменьшены. В этом случае могут быть использованы дроссели Д01.
Конденсаторы типа КЛС, КМ, КД и т.д.
Катушки L1 - дроссели, для СВ-диапазона это могут быть катушки на кольцах 600НН-8-К7х4х2, 300 витков провода ПЭЛ 0,1.
Большее значение коэффициента усиления может быть получено за счет применения многотранзисторных схем . Это могут быть различные схемы, например, выполненные на основе каскодного усилителя ОК-ОБ на транзисторах разной структуры с последовательным питанием. Один из вариантов такой схемы УВЧ приведен на рис.1 (г).
Данная схема УВЧ обладает значительным усилением (десятки и даже сотни раз), однако каскодные усилители не могут обеспечить значительное усиление на высоких частотах. Такие схемы, как правило, применяются на частотах ДВ- и СВ-диапазона. Однако при использовании транзисторов сверхвысокой частоты и тщательном исполнении такие схемы могут успешно применяться до частот в десятки мегагерц.
Радиоэлементы:
- R1=33к, R2=33к, R3=39к, R4=1к, R5=91, R6=2,2к;
- С1=10н, С2=100, С3=10н, С4=10н-33н. С5=10н;
- Т1 -ГТ311, КТ315, КТ3102, КТ368, КТ325 и т.д.
- Т2 -ГТ313, КТ361, КТ3107 и т.д.
Значения конденсаторов и контура приведены для частот СВ-диапазона. Для более высоких частот, например, для КВ-диапазона, значения емкостей и инду ктивность контура (число витков) должны быть соответствующим образом уменьшены.
Конденсаторы типа КЛС, КМ, КД и т.д. Катушка L1 - для СВ-диапазона содержит 150 витков провода ПЭЛШО 0.1 на каркасах 7 мм, подстроечники М600НН-3-СС2,8х12.
При настройке схемы на рис.1 (г) необходимо подобрать резисторы R1, R3 так, чтобы напряжения между эмиттерами и коллекторами транзисторов стали одинаковыми и составили 3В при напряжении питания схемы 9 В.
Использование транзисторных УВЧ позволяет усиливать радиосигналы. поступающие от антенн, в теледиапазонах - метровые и дециметровые волны . При этом наиболее часто применяются схемы антенных усилителей, построенные на основе схемы 1(а).
Пример схемы антенного усилителя для диапазона частот 150-210 МГц приведена на рис.2 (а).
Рис.2.2. Схема антенного усилителя МВ-диапазона.
Радиоэлементы:
- R1=47к, R2=470, R3= 110, R4=47к, R5=470, R6= 110. R7=47к, R8=470, R9=110, R10=75;
- С1=15, С2= 1н, С3=15, С4=22, С5=15, С6=22, С7=15, С8=22;
- Т1,Т2,ТЗ - 1Т311(Д,Л), ГТ311Д, ГТ341 или аналогичные.
Конденсаторы типа КМ, КД и т.д. Полосу частот данного антенного усилителя можно расширить в области низких частот соответствующим увеличением емкостей, входящих в состав схемы.
Радиоэлементы для варианта антенного усилителя для диапазона 50-210 МГц :
- R1=47к, R2=470, R3= 110, R4=47к, R5=470, R6= 110. R7=47к, R8=470. R9=110, R10=75;
- С 1=47, С2= 1н, С3=47, С4=68, С5=47, С6=68, С7=47, С8=68;
- Т1,Т2,ТЗ - ГТ311А, ГТ341 или аналогичные.
Конденсаторы типа КМ, КД и т.д. При повторении данного устройства необходимо соблюдать все требования. предъявляемые к монтажу ВЧ-конструкций: минимальные длины соединяющих проводников, экранирование и т.д.
Антенный усилитель, предназначенный для использования в диапазонах телевизионных сигналов (и более высоких частот) может перегружаться сигналами мощных СВ-, КВ-, УКВ-радиостанций. Поэтому широкая полоса частот может быть неоптимальной, т.к. это может мешать нормальной работе усилителя. Особенно это сказывается в нижней области рабочего диапазона усилителя.
Для схемы приведенного антенного усилителя это может быть существенно, т.к. крутизна спада усиления в нижней части диапазона сравнительно низка.
Повысить крутизну амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) данного антенного усилителя можно применением фильтра верхних частот 3-го порядка . Для этого на входе указанного усилителя можно применить дополнительную LС-цепь.
Схема подключения дополнительного LС-фильтра верхних частот к антенному усилителю приведена на рис. 2 (б).
Параметры дополнительного фильтра (ориентировочные):
- С=5-10;
- L - 3-5 витков ПЭВ-2 0,6. диаметр намотки 4 мм.
Настройку полосы частот и формы АЧХ целесообразно проводить с помощью соответствующих измерительных приборов (генератор качающейся частоты и т.д). Форму АЧХ можно регулировать изменением величин емкостей С, С1, изменением шага между витками L1 и числа витков.
Используя описанные схемотехнические решения и современные высокочастотные транзисторы (сверхвысокочастотные транзисторы - СВЧ-транзисторы) можно построить антенный усилитель ДМВ-диапазона Этот усилитель можно использовать как с У КВ-радиоприемником, например, входящим в состав УКВ-радиостанции, или совместно с телевизором.
На рис.3 приведена схема антенного усилителя ДМВ-диапазона .
Рис.3. Схема антенного усилителя ДМВ-диапазона и схема подключения.
Основные параметры усилителя ДМВ диапазона:
- Полоса частот 470-790 МГц,
- Усиление - 30 дБ,
- Коэффициент шума -3 дБ,
- Входное и выходное сопротивления - 75 Ом,
- Ток потребления - 12 мА.
Одной из особенностей данной схемы является подача напряжения питания на схему антенного усилителя по выходному кабелю, по которому осуществляется подача выходного сигнала от антенного усилителя к приемнику радиосигнала - УКВ-радиоприемника, например, приемника УКВ-радиостанции или телевизора.
Антенный усилитель представляет собой два транзисторных каскада, включенных по схеме с общим эмиттером. На входе антенного усилителя предусмотрен фильтр верхних частот 3-го порядка, ограничивающий диапазон рабочих частот снизу. Это увеличивает помехозащищенность антенного усилителя.
Радиоэлементы:
- R1 = 150к, R2=1 к, R3=75к, R4=680;
- С1=3.3, С10=10, С3=100, С4=6800, С5=100;
- Т1,Т2 - КТ3101А-2, КТ3115А-2, КТ3132А-2.
- Конденсаторы С1,С2 типа КД-1, остальные - КМ-5 или К10-17в.
- L1 - ПЭВ-2 0,8 мм, 2,5 витка, диаметр намотки 4 мм.
- L2 - ВЧ-дроссель, 25 мкГн.
На рис.3 (б) приведена схема подключения антенного усилителя к антенному гнезду ТВ-приемника (к селектору ДМВ-диапазона) и к дистанционному источнику питания 12 В. При этом, как видно из схемы, питание на схему подается через коаксиальный кабель, используемый и для передачи усиленного ДМВ-радиосигнала от антенного усилителя к приемнику - УКВ-радиоприемнику или к телевизору.
Радиоэлементы подключения, рис.3 (б):
- С5=100;
- L3 - ВЧ-дроссель, 100 мкГн.
Монтаж выполнен на двустороннем стеклотекстолите СФ-2 навесным способом, длина проводников и площадь контактных площадок - минимальные, необходимо предусмотреть тщательное экранирование устройства.
Налаживание усилителя сводится к установке токов коллекторов транзисторов и регулируются при помощи R1 и RЗ, Т1 - 3.5 мА, Т2 - 8 мА; форму АЧХ можно регулировать подбором С2 в пределах 3-10 пФ и изменением шага между витками L1.
Литература: Рудомедов Е.А., Рудометов В.Е - Электроника и шпионские страсти-3.
