Где используется принципиальная схема каскадного усилителя радиочастоты. Усилители радиочастоты и промежуточной частоты. УПЧ с фильтром сосредоточенной селекции

Так как усилитель радиочастоты находится на входе радиоприемного устройства, то его шумовые характеристики и динамический диапазон в основном определяют характеристики всего устройства в целом. Именно коэффициент шума усилителя радиочастоты определяет чувствительность радиоприемника.

Усиление сигналов в приёмнике может происходить до преобразователя частоты, т.е. на принимаемой частоте, и после преобразователя - на промежуточной частоте. Усиление на частоте принимаемого сигнала осуществляется с помощью усилителей радиочастоты (УРЧ). Кроме усиления должна обеспечиваться и частотная избирательность. Диапазонные УРЧ должны иметь контуры с переменной настройкой. Они чаще всего выполняются одноконтурными. Активным элементом усилителя служит полевой или биполярный транзистор в дискретном или интегральном исполнении. В усилителях промежуточной частоты предпочтение отдается биполярным транзисторам вследствие обеспечения ими более высокого коэффициента усиления. Усилители радиочастоты УРЧ повышают избирательность по зеркальному каналу и чувствительность приемника. По схемному по-строению УРЧ могут быть апериодическими или резонансными.

Апериодические УРЧ увеличивают лишь отношение сиг-нал/шум и чувствительность приемника. Наиболее часто их приме-няют в транзисторных приемниках прямого усиления на ДВ- и СВ-диапазонах. В качестве нагрузки апериодических УРЧ может служить дроссель, резистор или трансформатор. Резисторный кас-кад УРЧ прост в исполнении и настройке. В трансфор-маторных УРЧ) облегчается согласование выхода одно-го каскада со входом последующего. Кроме того, трансформаторный каскад УРЧ можно легко переделать в рефлексный.

Резонансные УРЧ обеспечивают усиление сигнала и по-вышают не только реальную чувствительность, но и избирательность по зеркальному каналу Транзисторные резонансные УРЧ в диапазонах ДВ, СВ и KB собирают по схеме с ОЭ а в УКВ-диапазоне — по схеме с ОБ.

Каскады УРЧ могут содержать один или два резонансных кон-тура. Усилитель радиочастоты с одним контуром дает меньшее уси-ление, но более прост в изготовлении и настройке. Схемы с индук-тивной связью контуров позволяют изменять связь и получать наи-большее усиление или лучшую избирательность. Изменением связи по диапазону можно несколько компенсировать неравномерность ко-эффициента передачи входных цепей.

Усилители радиочастоты УКВ-диапазона выполняют по каскадным схемам. Они имеют лучшие характеристики, чем обычные УРЧ. Первый тран-зистор включен по схеме с ОЭ, благодаря чему достигается малая входная проводимость усилителя, а второй V2 — по схеме с ОБ, что обеспечивает большой коэффициент устойчивого усиления. По посто-янному току транзисторы включены последовательно, что вызывает необходимость увеличения напряжения источника питания.

По усилению каскодный усилитель эквивалентен однокаскадному усилителю с проводимостью прямой передачи первого транзистора и нагрузкой второго. Каскодная схема используется в усили-телях диапазона метровых волн. Первый каскад схемы выгодно вы-полнять на полевом транзисторе, обладающем низким уровнем шумов и малой «ктивной входной проводимостью, при этом будет меньше шунтироваться избирательная система приемника, включен-ная на входе каскодного усилителя. Во втором каскаде предпочтите-лен дрейфовый транзистор, включаемый по схеме с ОБ и обеспечивающий наибольший устойчивый коэффициент усиления. При таком выполнении каскодной схемы усилителя повышается его коэффици-ент устойчивого усиления, существенно снижается уровень шумов, повышается избирательность тракта радиосигнала приемника, что является их преимуществом.

Аналогичными преимуществами обладают каскадные схемы (низкий уровень шумов и высокий коэффициент, устойчивого усиле-ния) на электронных лампах, обычно триодах, включаемых по схеме общий катод — общая сетка.

УСИЛИТЕЛИ РАДИОЧАСТОТЫ И ПРОМЕЖУТОЧНОЙ ЧАСТОТЫ РАДИОПРИЕМНОГО УСТРОЙСТВА

Наименование параметра	Значение
Тема статьи:	УСИЛИТЕЛИ РАДИОЧАСТОТЫ И ПРОМЕЖУТОЧНОЙ ЧАСТОТЫ РАДИОПРИЕМНОГО УСТРОЙСТВА
Рубрика (тематическая категория)	Связь

Усиление принимаемых радиосигналов в приемном устройстве осу­ществляется в его преселœекторе, ᴛ.ᴇ. на радиочастоте, и после преоб­разователя частоты - на промежуточной частоте. Соответственно раз­личают усилители радиочастоты (УРЧ) и усилители промежуточной час­тоты (УПЧ). В этих усилителях, вместе с усилением должна обеспечивать­ся частотная избирательность приемника. Для этого усилители содер­жат резонансные цепи: одиночные колебательные контуры, фильтры на связанных контурах, различные типы фильтров сосредоточенной избирательности. Усилители радиочастоты с переменной настройкой обыч­но выполняют с избирательной системой, аналогичной примененной во входной цепи приемника, чаще всœего это одноконтурные избирательные цепи.

В усилителях промежуточной частоты находят применение сложные типы избирательных систем, обладающие АЧХ близкими к прямоугольным, такие, как электромеханические фильтры (ЭМФ), кварцевые фильтры (КФ), фильтры на поверхностных (объемных) акустических волнах (ПАВ, ПОВ) и др.

В большинстве современных приемников используют однокаскадные УРЧ. Реже, при высоких требованиях к избирательности и коэф­фициенту шума, УРЧ могут содержать до трех каскадов.

К числу базовых электрических характеристик усилителœей отно­сятся:

1.Резонансный коэффициент усиления напряжения .

На сверхвысоких частотах (СВЧ) чаще применяют понятие коэффициента усиления по мощнос­ти,где - активная составляющая входной проводимости усилителя; - активная составляющая проводимость нагрузки.

2.Частотная избирательность усилителя показывает относитель­ное уменьшение усиления при заданной расстройке.

Иногда избирательность характеризуют коэффициентом прямоугольности, к примеру, .

3.Коэффициент шума определяет шумовые свойства усилителя.

4.Искажения сигнала в усилителœе : амплитудно-частотные, фазо­вые, нелинœейные.

5.Устойчивость работы усилителя определяется его способностью сохранять в процессе эксплуатации основные характеристики (обычно К о и АЧХ), а также отсутствие склонности к самовозбуждению.

На рис.1-3 приведены основные схемы УРЧ, а на рис.4 схе­ма УПЧ с фильтром сосредоточения избирательности (ФСИ) в виде электромеханического фильтра.

Рис.1. УРЧ на полевом транзисторе

Рис.2. УРЧ на биполярном транзисторе

Рис.3. УРЧ с индуктивной связью с избирательной системой

Рис.4. УПЧ с фильтром сосредоточенной избирательности

В усилителях радиочастоты и промежуточной частоты, в основном применяют два варианта включения усилительного прибора: с общим эмиттером (общим истоком) и каскодную схему включения транзисторов.

На рис.1 приведена схема усилителя на полевом транзисторе с общим истоком. В цепь стока включен колебательный контур L К С К. Контур настраивается конденсатором С К (может применяться для нас­тройки контура варикап или варикапная матрица).

В усилителœе применено последовательное питание стока через фильтр R3C3 . Напряжение смещения на затворе VT1 определяется падением напряжения от тока истока на резисторе R2 . Резистор R1 является сопротивлением утечки транзистора VT1 и служит для передачи напряжения смещения на затвор транзистора.

На рис. 2 приведена аналогичная схема УРЧ на биполярном тран­зисторе. Здесь применено двойное неполное включение контура с транзисторами VT1, VT2,что позволяет обеспечить крайне важно е шунти­рование контура со стороны выхода транзистора VT1и со стороны вхо­да транзистора VT2. Напряжение питания на коллектор транзистора подано через фильтр R4C4 ичасть витков катушки контура L К. Режим по постоянному току и температурная стабилизация обеспечивается с помощью резисторов R1,R2 и R3. Емкость С2 устраняет отрицательную обратную связь по переменному току.

На рис. 3 показана схема с трансформаторной связью контура с коллектором транзистора и автотрансформаторной связью со входом следующего каскада. Обычно, в данном случае, применяют, "удлинœенную" настройку контура (см. лаб. работу №1).

На рис. 4 представлена схема каскада УПЧ с ФСИ, выполненного на микросхеме 265 УВЗ. Микросхема представляет собой каскодный усилитель ОЭ - ОБ.

Усилители промежуточной частоты обеспечивают основное усиление и селœективность приемника по сосœеднему каналу. Их важной особенностью является то, что они работают на фиксированной промежуточ­ной частоте и имеют большое усиление, порядка.

При использовании различных типов ФСИ, требуемое усиление УПЧ достигается применением широкополосных каскадов.

Общим для всœех схем является двойное неполное включение из­бирательной системы. (Полное включение можно рассматривать как частный случай, когда коэффициенты трансформации m и n равны единице). По этой причине для анализа можно использовать одну обобщенную эквивален­тную схему замещения усилителя (см. рис.5).

Рис.5. Обобщенная эквивалентная схема резонансного усилителя

На схеме транзистор со стороны выхода заменен эквивалентным генератором тока с параметрами, и током, а со стороны входа следующего каскада прово­димостью, . Резистор утечки R4 (рис.1) или делитель (рис.2) заменены проводимостью (или).

Обычно сумму проводимостей считают проводимостью нагрузки GН , ᴛ.ᴇ.

Анализ эквивалентной схемы позволяет получить всœе расчетные соотношения для определœения характеристик каскада .

Так, комплексный коэффициент усиления каскада определяется выражением

эквивалентная резонансная проводимость контура;

Обобщенная расстройка контура.

Из данного соотношения легко определить модуль коэффициента

усиления

и резонансный коэффициент усиления каскада УРЧ

Резонансный коэффициент усиления достигает своего максималь­ного значения при одинаковом шунтировании контура со стороны выхо­да активного прибора и со стороны нагрузки (входа следующего каскада), ᴛ.ᴇ. когда

Приведенные соотношения позволяют получить уравнение резонан­сной кривой усилителя. Так, при малых расстройках, . Откуда, полоса пропускания УРЧ поуровню 0,707 (- 3дБ) равна

Резонансный коэффициент усиления одноконтурного каскада УПЧ такой же, как и у одноконтурного УРЧ

Для УПЧ с двухконтурным полосовым фильтром резонансный коэф­фициент усиления каскада определяется выражением

где - фактор связи между контурами, а - коэффициент связи между контурами.

Коэффициент усиления (по напряжению) УПЧ с любым ФСИ при сог­ласовании фильтра на входе и выходе должна быть рассчитан по формуле

Здесь, - характеристические (волновые) сопротивления ФСИ по входу и выходу соответственно;

Коэффициент передачи фильтра в полосœе прозрачности (пропускания).

В том случае, в случае если известно затухание фильтра в полосœе проз­рачности вдецибелах, то

Коэффициенты включения m и n вычисляются из условия согласо­вания фильтра на входе и выходе

Резонансная характеристика каскада УПЧ с ФСИ полностью опреде­ляется кривой изменения коэффициента передачи ФСИ от частоты. Отдельные точки резонансной кривой ФСИ задаются в справочниках.

Коэффициент усиления избирательного усилителя не должен превышать величины коэффициента устойчивого усиления. В общем случае, можно оценить из выражения

В случае если в качестве усилительного элемента используется каскодная схема, то крайне важно подставить соответствующие значения проводимостей для каскодной схемы к примеру, для схемы ОЭ – ОБ

В случае использования полевых транзисторов активной составляющей проводимости можно пренебречь и

УСИЛИТЕЛИ РАДИОЧАСТОТЫ И ПРОМЕЖУТОЧНОЙ ЧАСТОТЫ РАДИОПРИЕМНОГО УСТРОЙСТВА - понятие и виды. Классификация и особенности категории "УСИЛИТЕЛИ РАДИОЧАСТОТЫ И ПРОМЕЖУТОЧНОЙ ЧАСТОТЫ РАДИОПРИЕМНОГО УСТРОЙСТВА" 2017, 2018.

министерство образования Российской Федерации

Московский физико-технический институт
(государственный университет)

Кафедра радиотехники

Усилитель радиочастоты на биполярном
транзисторе

Лабораторная работа
по курсу Радиотехника

Москва 2003

УДК 621.396.6

Усилитель радиочастоты на биполярном транзисторе.
Лабораторная работа по курсу Радиотехника / Сост.
. – М.: МФТИ, 2003. – 24 с.

© Московский физико-технический институт

государственный университет), 2003

1. Введение 4

2. Каскад на биполярном транзисторе с ОЭ 5

2.1. Принципиальные электрические схемы каскада 5

2.2. Параметры и характеристики каскада 6

2.3. Выбор параметров каскада в многоканальном
усилителе 11

3. Самовозбуждение УРЧ 13

4. Каскодная схема 15

4.1. Принципиальные электрические схемы 15

4.2. Параметры и характеристики схемы 16

5. Экспериментальная оценка выходного и входного
импедансов каскада УРЧ 17

6. Задание 19

6.1. Исследуемые схемы 19

6.2. Расчет каскадов 20

6.3. Измерения и исследования 21

Список литературы 23

1. Введение

Усилители радиочастоты (УРЧ) широко применяют в различных устройствах. Чаще всего их используют в качестве входных блоков радиоприемников для частотной фильтрации полезного сигнала из помех и увеличения его амплитуды. В таких случаях центральная частота спектра сигнала, как правило, существенно превышает ширину спектра и тогда УРЧ выполняет функции активного полосового фильтра. Известно значительное количество схем подобных УРЧ, содержащих разное число усилительных элементов и частотно-избирательных цепей. УРЧ может содержать единственный каскад, а может быть многокаскадным.

УРЧ обычно описывают следующими параметрами и характеристиками:

– резонансной (центральной) частотой усиливаемого участка спектра входного напряжения,

– резонансным коэффициентом усиления https://pandia.ru/text/78/219/images/image003_71.gif" width="23" height="23 src=">

– полосой пропускания https://pandia.ru/text/78/219/images/image005_58.gif" width="40" height="23">

– входным импедансом https://pandia.ru/text/78/219/images/image007_51.gif" width="81" height="21">

– выходным импедансом https://pandia.ru/text/78/219/images/image009_42.gif" width="97" height="21">

– амплитудно-частотной и фазочастотной характеристиками (АЧХ и ФЧХ).

Цель настоящей лабораторной работы – теоретически изучить, рассчитать, собрать на индивидуальной плате и экспериментально исследовать простейшие варианты УРЧ. Это – резонансный каскад на биполярном транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером (ОЭ), каско дная схема на двух транзисторах с одним колебательным контуром и двухкаскадный УРЧ, образованный последовательным соединением названных каскадов.

2. Каскад на биполярном транзисторе с ОЭ

2.1. Принципиальные электрические схемы каскада

На рис. 1а) представлена принципиальная электрическая схема каскада резонансного усилителя на биполярном транзисторе с ОЭ с частично включенным -контуром в качестве коллекторной нагрузки и с последовательным питанием коллекторной цепи. На рис. 1б) дана схема аналогичного каскада с параллельным питанием коллекторной цепи.

https://pandia.ru/text/78/219/images/image012_34.gif" width="21" height="25"> в источник питания , а переменную составляющую через конденсатор направляют мимо источника . Этим уменьшают нежелательную обратную связь между несколькими каскадами УРЧ, питаемыми от единого источника https://pandia.ru/text/78/219/images/image015_28.gif" width="20" height="24">в источник питания . В качестве импеданса используют дроссель (катушку с большой индуктивностью), резистор или последовательное соединение дросселя и резистора.

2.2. Параметры и характеристики каскада

Параметры и характеристики любого радиотехнического устройства, описывающие его свойства, обычно находят путем составления и анализа эквивалентной схемы этого устройства. Для каскада УРЧ используем эквивалентную схему по переменному току, содержащую модели источника сигнала, УЭ и нагрузки. Источник сигнала представим простейшим генератором напряжения с ЭДС и внутренним сопротивлением ..gif" width="125" height="24 src="> где р – коэффициент включения контура, – эквивалентное сопротивление контура, – обобщенная частотная расстройка, https://pandia.ru/text/78/219/images/image024_23.gif" width="17" height="13 src=">1 – собственная добротность контура, – резонансная частота, – сопротивление потерь контура, включенное последовательно с индуктивностью .

Опишем сначала свойства каскада при идеальном транзисторе, у которого -параметры не зависят от частоты и равны: и https://pandia.ru/text/78/219/images/image033_15.gif" width="27" height="28 src=">.jpg" width="397" height="85 src=">

На основании анализа этой схемы нетрудно показать, что у рассматриваемого каскада:

– резонансная частота https://pandia.ru/text/78/219/images/image037_13.gif" width="99" height="43"> (1)

где – крутизна транзистора,

– резонансный коэффициент усиления https://pandia.ru/text/78/219/images/image044_11.gif" width="91" height="23 src=">

– входной импеданс

– выходной импеданс левее точек https://pandia.ru/text/78/219/images/image048_11.gif" width="73" height="23 src=">

– АЧХ и ФЧХ задаются зависимостями модуля и аргумента выражения (1) от частоты.

Вместе с тем у реального транзистора -параметры зависят от частоты. В настоящей работе учтем только так называемое первое приближение этой зависимости, справедливое для частот, не превышающих нескольких значений верхней граничной частоты усиления транзистора по току и имеющее следующий вид:

https://pandia.ru/text/78/219/images/image053_10.gif" width="156" height="45 src=">

https://pandia.ru/text/78/219/images/image055_10.gif" width="157" height="45 src=">

Здесь – постоянная времени прямого https://pandia.ru/text/78/219/images/image058_8.gif" width="128" height="23"> – объемное сопротивление базы, – постоянная времени обратного перехода база-коллектор. Этому приближению соответствует физически наглядная П-образная эквивалентная схема транзистора (схема Джиаколетто). При ее использовании эквивалентная схема каскада приобретает вид, показанный на рис. 3.

В этой схеме в диапазоне частот применения УРЧ можно не учитывать резистор https://pandia.ru/text/78/219/images/image063_9.gif" width="32" height="23 src=">. Так, для транзистора КТ315 на частоте 1 МГц емкость порядка трех пикофарад имеет импеданс 50 кОм, а величина составляет единицы Мом..gif" width="49" height="23">

С учетом сказанного результаты анализа схемы, изображенной на рис. 3, сводятся к следующему.

Выходная проводимость части каскада, расположенной левее линии К– Э, найденная, например, в результате использования теоремы Нортона, получается равной

https://pandia.ru/text/78/219/images/image067_8.gif" width="181" height="47 src=">

Следовательно, выходной контур каскада в данном случае шунтируется резисторным выходным сопротивлением транзистора и выходной емкостью величины которых зависят от параметров транзистора, выходного сопротивления источника сигнала и частоты..gif" width="25" height="23 src=">.gif" width="43" height="21"> имеем порядка десятков кОм и порядка нескольких , а при порядка единиц кОм получаем порядка (долей–единиц) кОм, а https://pandia.ru/text/78/219/images/image063_9.gif" width="32" height="23">.

Из эквивалентной схемы каскада, показанной на рис..gif" width="32" height="23">, равен где – импеданс нагруженного выходного контура https://pandia.ru/text/78/219/images/image080_5.gif" width="136" height="23 src=">.gif" width="29" height="23 src="> Умножив и разделив выражение для на комплексное выражение получаем где ,

Отсюда следует, что входной импеданс каскада между точками Б–Э задается цепью, изображенной на рис. 4а), где https://pandia.ru/text/78/219/images/image090_6.gif" width="19" height="21 src="> – параллельное соединение сопротивлений и https://pandia.ru/text/78/219/images/image094.jpg" width="265" height="97">Рис. 4

Для транзисторов с очень малыми сопротивлениями элементы и практически являются входным резистивным сопротивлением https://pandia.ru/text/78/219/images/image099_5.gif" width="25 height=21" height="21"> всего каскада. В случае больших величин или при наличии дополнительного резистора https://pandia.ru/text/78/219/images/image100_5.gif" width="45 height=15" height="15"> параметры каскада и можно найти соответствующим пересчетом цепи, показанной на рис.4а), в цепь, изображенную на рис. 4б), по формулам

https://pandia.ru/text/78/219/images/image102_5.gif" width="184" height="43 src=">

где

(Попутно заметим, что для частот < относительная расстройка имеет знак минус и величина сопротивления https://pandia.ru/text/78/219/images/image010_42.gif" width="24 height=17" height="17">-контура любого предыдущего каскада входным импедансом последующего каскада резонансная частота и усиление шунтируемого каскада падают, а полоса пропускания расширяется. Вместе с тем, правильно спроектированный каскад должен обеспечивать заданные величины и всего усилителя и максимальное усиление каждого каскада https://pandia.ru/text/78/219/images/image108.jpg" width="396" height="166">

Для обеспечения требуемой полосы пропускания каскада добротность его нагруженного контура должна быть равна https://pandia.ru/text/78/219/images/image111_4.gif" width="61" height="23 src=">.gif" width="20" height="23 src="> должна удовлетворять условию

https://pandia.ru/text/78/219/images/image114_3.gif" width="20" height="21"> и коэффициенты подключения к контуру со стороны выхода УЭ каскада и со стороны входа 2-го каскада соответственно.

Резонансное усиление каскада от его входа до входа 2-го каскада при этом равно

. (3)

Из выражений (2) и (3) при условии находятся требуемые (оптимальные) значения коэффициентов подключения

https://pandia.ru/text/78/219/images/image119_4.gif" width="101" height="28 src="> (4)

где

Каскад с данными коэффициентами подключения иногда называют оптимально согласованным. Величина максимального резонансного усиления согласованного каскада оказывается равной

https://pandia.ru/text/78/219/images/image124_4.gif" width="133" height="43 src=">.gif" width="176" height="43 src=">.gif" width="103" height="24"> – полная емкость контура, обеспечивающая резонансную частоту каскада, равную при индуктивности катушки контура Из этих соотношений получаем следующие формулы для определения величин емкостей и https://pandia.ru/text/78/219/images/image133_3.gif" width="119" height="24">

3. Самовозбуждение УРЧ

Самовозбуждение УРЧ происходит при наличии в нем положительной обратной связи. Существует три канала такой связи. Один из них – это связь каскадов через общий источник питания Для уменьшения данной связи каскады “развязывают“ с помощью фильтрующих элементов и https://pandia.ru/text/78/219/images/image138_3.gif" width="41" height="23 src=">

Рассмотрим условия, при которых самовозбуждение УРЧ возникает именно из-за названной емкости. Впервые они были найдены российским ученым Владимиром Ивановичем Сифоровым еще в эпоху ламповой радиотехники. показал, что одиночный каскад резонансного УРЧ может возбудиться только при наличии в его входном импедансе индуктивной составляющей. Такая составляющая появляется, например, при наличии второго колебательного контура на входе каскада. Аналогичная ситуация возникает в многокаскадном УРЧ, в котором роль входного контура каждого каскада, начиная со второго, играет выходной контур предыдущего каскада.

На рис. 6 дана упрощенная эквивалентная схема каскада с двумя одинаковыми контурами, которые представлены в ней двухполюсниками с импедансами этих контуров (с учетом их шунтирования транзистором). УЭ представлен генератором тока Емкость – это проходная емкость каскада.

Разорвем провод схемы в точке и приложим к каскаду гармоническое входное напряжение https://pandia.ru/text/78/219/images/image144_3.gif" width="15" height="15 src=">, которое вызовет выходное напряжение Под влиянием суммы входного и выходного напряжений через проходную емкость потечет ток обратной связи При больших коэффициентах усиления каскада вкладом входного напряжения можно пренебречь и считать, что https://pandia.ru/text/78/219/images/image148_2.gif" width="29" height="21 src="> Если начальные фазы напряжений и окажутся равными, а амплитуда напряжения связи превысит амплитуду https://pandia.ru/text/78/219/images/image150_2.gif" width="111" height="23">когда также имеем На этой частоте импедансы обоих контуров носят индуктивный характер. Если на резонансной частоте напряжения и находятся в противофазе (сдвиг равен https://pandia.ru/text/78/219/images/image154_2.gif" width="17" height="21"> сдвиг фазы между напряжениями и равен уже сдвиг фазы между векторами и равен и сдвиг между векторами и равен В результате фазовый сдвиг между напряжениями и оказывается равным нулю, то есть обратная связь становится чисто положительной. Если при этом выполняется и второе (амплитудное) условие, то каскад УРЧ превращается в индуктивный трех-точечный https://pandia.ru/text/78/219/images/image160_2.gif" width="21" height="24">

Для устойчивости УРЧ необходимо, чтобы амплитуда напряжения была меньше амплитуды напряжения https://pandia.ru/text/78/219/images/image162_2.gif" width="85 height=25" height="25"> (7)

Таким образом, выражение (7) указывает пути борьбы с самовозбуждением из-за наличия проходной емкости УЭ. Это – соответствующие ограничения величин и

4. Каскодная схема

4.1. Принципиальные электрические схемы

Каскодная схема разработана для повышения устойчивости УРЧ к самовозбуждению, что достигается существенным уменьшением ее проходной емкости по сравнению с минимально достижимой проходной емкостью отдельного УЭ. Примеры каскодных схем с последовательным и параллельным питанием по постоянному току даны на рис. 7.

4.2. Параметры и характеристики схемы

Как видно из этих рисунков, нагрузкой 1-го транзистора, включенного по схеме с ОЭ, по переменному току является входной импеданс 2-го транзистора, включенного по схеме с общей базой (ОБ). Поскольку величина такого импеданса весьма мала по сравнению с выходным импедансом 1-го транзистора ( то 1-й транзистор каскодной схемы практически работает в режиме короткого замыкания на его выходе, а 2-й транзистор – в режиме холостого хода на его входе. Кроме того, имеем

Если теперь рассматривать оба транзистора каскодной схемы как единый УЭ, то при указанных условиях его -параметры связаны с аналогичными параметрами 1-го и 2-го транзисторов следующими соотношениями

https://pandia.ru/text/78/219/images/image171_2.gif" width="32" height="23 src=">.gif" width="55" height="23 src=">

https://pandia.ru/text/78/219/images/image175_2.gif" width="96" height="23 src=">.gif" width="21" height="23"> каскодной схемы, оценивающий степень обратной связи через проходную емкость, оказывается намного меньше, чем у одиночного транзистора, включенного по схеме с ОЭ. Это делает каскодную схему более устойчивой к самовозбуждению.

Кроме того, из-за малости величины входной импеданс каскодной схемы равен 1-го транзистора,
а выходной импеданс равен https://pandia.ru/text/78/219/images/image180_2.gif" width="37" height="21">.gif" width="19 height=21" height="21"> ненагруженного контура. Теоретический расчет этих величин громоздок и неточен, поэтому опишем методику их экспериментальной оценки.

Величины https://pandia.ru/text/78/219/images/image075_6.gif" width="33" height="21 src=">.gif" width="27" height="23 src="> определяемую суммарной емкостью контура + С П, где С П – известная емкость предварительно поставленного в контур навесного конденсатора. Вычисляем величину по формуле

https://pandia.ru/text/78/219/images/image182_2.gif" width="72" height="43 src="> (8)

где .

Изменением емкости С П настраиваем каскад на требуемую резонансную частоту и измеряем его полосу пропускания После этого подключаем емкостную ветвь контура к коллектору транзистора частично, как показано на эквивалентной схеме данного включения на рис. 8а). При этом величины емкостей и выбираем так, чтобы с учетом известной емкости резонансная частота каскада равнялась https://pandia.ru/text/78/219/images/image186_2.gif" width="15" height="16">= (0.2–0.8). В линейном режиме работы каскада измеряем его полосу пропускания резонансная частота 1-го каскада без подключения к нему 2-го каскада равнялась Вычисляем величину

г) считая, что для всех транзисторов h 21Э = 100, найти их начальные токи базы I бн = I кн / h 21Э,

д) выбрать ток, протекающий через делитель напряжения, составленный из резисторов R 1 и R 2, равным I д = (50–100) I бн, найти значения R 1 и R 2, учитывая также условие, что потенциал базы транзистора VT 3 относительно земли должен быть равен (U кэн + 0.6 В),

е) найти величины R р, R б1, R ф, R б2.

6.2.2. Расчет по переменному току:

а) взять в кассе две катушки с равными индуктивностями (40–60) мкГн, измерить их индуктивности на https://pandia.ru/text/78/219/images/image024_23.gif" width="17" height="13 src=">L ;

б) задаться предварительным значением коэффициента частичного подключения 1-го контура p = (0.25–0.33), определяемого соотношением его емкостей;

в) вычислить величины емкостей обоих контуров;

г) выбрать емкость остальных конденсаторов схемы порядка (0.01–1) мкФ, обеспечивая тем самым требуемую малость их импеданса на резонансной частоте.

6.3. Измерения и исследования

6.3.1. Исследование одиночных каскадов

На индивидуальной плате студента собрать каскад на транзисторе с ОЭ, подключив его контур к транзистору полностью, соединив точки 3 и 4 с помощью разделительного конденсатора С р. Собрать каскодную схему, оставив ее вход (точка 6) свободным. Измерить реальные значения I кн и U кэн обоих каскадов и проверить их соответствие заданным величинам. При необходимости добиться соответствия с точностью (10–25)% путем изменения величин R б1, R б2, R 1 и R 2.

Подключив к входу 1-го каскада (точки 1 и 2) генератор гармонического напряжения радиочастоты с амплитудой не более 20 мВ, а к точкам 5 и 2 вольтметр, измерить резонансную частоту этого каскада и проверить ее соответствие расчетной величине https://pandia.ru/text/78/219/images/image018_26.gif" width="20" height="21 src="> на АЧХ и ФЧХ каскада на транзисторе с ОЭ.

6.3.2. Исследование двухкаскадного УРЧ

Используя результаты измерений в п. 6.3.1, материалы
п. 2.3 и формулы (4)–(6), рассчитать параметры согласованного каскада на транзисторе с ОЭ, нагруженного каскодной схемой. При этом требуемую полосу пропускания 1-го каскада задать равной его полосе при полном включении контура и при отсутствии подключения ко 2-му каскаду.

Собрать описанный двухкаскадный усилитель. При наличии его самовозбуждения принять меры к ликвидации генерации.

У устойчивого двухкаскадного усилителя в линейном режиме его работы измерить величины резонансного усиления и полос пропускания 1-го каскада и всего усилителя в целом.

При домашней подготовке к зачету и оформлении отчета:

а) освоить вывод расчетных формул (4), (8), (9)–(11),

б) сопоставить полученные значения всех измеренных величин с теоретически ожидаемыми.

Список литературы

1. Основы радиоэлектроники. – М.: Радио и связь, 1990.
2. , Радиоприемные устройства. В 2-х ч. – М.: Сов. радио, 1961.–1963.

Лабораторная работа

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.

Усилитель радиочастоты (УРЧ)

Усилителем радиочастоты (УРЧ) называется каскад, осуществляющий усиление принимаемых сигналов на их собственных частотах, без изменения спектра.

Функции УРЧ:

Обеспечение усиления сигнала по мощности или по напряжению

Обеспечение эффективной частотной избирательности РПУ

Обеспечение защиты цепи антенны от проникновения частоты гетеродина (в случае проникновения частоты гетеродина в цепи антенны, РПУ начинает работать как маломощный передатчик и будет создавать помехи близко расположенным РПУ).

План выполнения работы по этапу

Выбор схемы усилителя радиочастоты и его обоснование

Электрический расчет параметров элементов контура

Подбор параметров сопротивлений и емкостей

Определение оптимальной величины напряжения источника питания Е с применением функции Parameter Sweep

Определение режимов элементов схемы по постоянному току с применением функции DC Operating Point

Измерение АЧХ усилителя во всем диапазоне изменения емкости переменного конденсатора С с применением функции Parameter Sweep

Анализ влияния температуры окружающей среды в диапазоне от -20 до +60 на АЧХ усилителя с применением функции Temperature Sweep

Статистический анализ влияния производственных допусков элементов усилителя на его АЧХ с применением функций Worst Сase и Monte Carlo

Анализ устойчивости усилителя с применением функции Pole-Zero

Выбор схемы усилителя радиочастоты

В качестве УРЧ я выбираю схему с автотрансформаторной связью на полевых транзисторах, потому что такая схема обладает высоким входным сопротивлением, и не будет оказывать нежелательного влияния на входную цепь и антенну. Будет хорошо согласоваться с входной цепью с емкостной связью. Схема также не содержит трансформаторов

Схема УРЧ с автотрансформаторной связью на полевых транзисторах приведена на рисунке 2.2.1.

Рисунок 2.2.1 - Схема УРЧ с трансформаторной связью на полевых транзисторах.

Электрический расчет параметров элементов контура

Для схем УРЧ с автотрансформаторной связью должны выполняться следующие соотношения:

где Сf в нФ, fmin в МГц, в Rf кОм. Rf обычно выбирают в пределах 0,2-3,0 кОм.

Я возьму Rf =2 кОм. Следовательно, теперь я могу рассчитать Cf:

В итоге, я получил: Cf = 320 пФ, Rf=2 кОм

Подбор параметров элементов сопротивления и емкостей с учетом варианта задания

В качестве значения переменной емкости С я взял 100 пФ. Это значение соответствует резонансной частоте 3,2 МГц, поэтому мне нужно будет подобрать элементы схемы так, чтобы максимум АЧХ находился на этой частоте.

Экспериментально подобранные параметры:

L1a = 3,1 мГн; L1b = 3,1 мГн; R = 50 Ом; Rn = 3 кОм; С= 100 пФ

На рисунке 2.2.2 приведена АЧХ усилителя при подобранных значениях элементов

Рисунок 2.2.2 - АЧХ усилителя (при С=100 пФ)

приемник цепь частотный

Определение оптимальной величины напряжения источника питания Е с применением функции Parameter Sweep

Результаты моделирования приведены на рисунке 2.2.3 и в таблице 2.2.1.

Рисунок 2.2.3 - Изменение параметров устройства

Таблица 2.2.1 - Значения напряжения источника питания

Проанализировав семейство графиков я увидел, что увеличивать напряжение Е больше чем 20 В не имеет смысла (при этом напряжении находится максимум АЧХ из всего семейства), т.к. это не приводит к дальнейшему увеличению максимума АЧХ. Поэтому я беру значение напряжения источника E равным 20 В.

Определение режимов элементов схемы по постоянному току с применением функции DC Operating Point.

Результат анализа схемы с помощью функции DC Operation Point отражен в таблице 2.2.2. В этой таблице отражены значения всех токов и напряжений различных узлов схемы УРЧ. Получены значения напряжений во всех узлах схемы, при закороченных индуктивностях и разорванных емкостях.

Таблица 2.2.2 - результат анализа по постоянному току

Измерение АЧХ усилителя во всем диапазоне изменения емкости переменного конденсатора С с применением функции Parameter Sweep

В моем случае значение емкости будет изменяться от 32 до 100 пФ. При этом должна меняться резонансная частота УРЧ в рабочем диапазоне 3,2 - 7,5 МГц. Семейство АЧХ УРЧ при различных значениях емкости С приведено на рисунке 2.2.4.

Рисунок 2.2.4 - АЧХ усилителя при различных значениях емкости С

Анализ влияния температуры окружающей среды в диапазоне от -20до+60 на АЧХ усилителя с применением функции Temperature Sweep

Мне нужно посмотреть, как будет влиять изменение температуры на АЧХ усилителя. Семейство АЧХ для различных значений температур приведено на рисунке 2.2.5.

Рисунок 2.2.5 - Семейство АЧХ усилителя при различных значениях температуры.

Как видно из графика, температура практически не оказывает влияния на АЧХ усилителя, поэтому все графики наложились друг на друга и их невозможно различить. Это говорит о том, что изменение температуры не будет приводить к нарушению работы схемы.

Статистический анализ влияния производственных допусков элементов усилителя на его АЧХ с применением функций Worst Сase и Monte Carlo

Мне нужно будет рассмотреть, как будут влиять производственные допуски элементов на АЧХ усилителя. Рисунок 2.2.6 иллюстрирует, как будет изменяться АЧХ при допуске на элементы в 4%. Это я делаю с помощью функции Monte Carlo. Описание прохода отражено в таблице 2.2.3.

Рисунок 2.2.6 - Анализ влияния допусков элементов на АЧХ усилителя с помощью функции Monte Carlo

Таблица 2.2.3 - описание анализа Монте-Карло

Проанализировав эти данные, можно сделать вывод, что допуск элементов в 4% недопустим и оказывает значительное влияние на АЧХ усилителя.

Анализ схемы при помощи функции Worst Case отображен на рисунке 2.2.7, описание прохода проведено в таблице 2.2.4.

Рисунок 2.2.7 - Анализ влияния допусков элементов на АЧХ усилителя с помощью функции Worst Case.

Таблица 2.2.4 - Описание проходов анализа Worst Case

Проанализировав графики можно сделать вывод, что допуск элементов 1% практически не влияет на АЧХ усилителя и его резонансную частоту. Поэтому допуск в 1% допустим для данной схемы.

Анализ устойчивости усилителя с применением функции Pole-Zero

Нули и полюса передаточной функции представлены в таблице 2.2.5. Из этой таблицы видно, что нули и полюса имеют отрицательную вещественную часть, следовательно, система является устойчивой.

Таблица 2.2.5 - результат анализа нулей и полюсов

Выводы по разделу:

Перестройка частоты осуществляется конденсатором переменной емкости таким же, что используется во входной цепи. Полученный УРЧ отвечает всем необходимым требованиям, его характеристики не зависят от температуры в заданном диапазоне, почти не зависят от напряжения питания, следовательно, требования к источнику питания не строгие. Кроме того УРЧ был проверен на устойчивость, было оценено влияние допусков элементов на АЧХ усилителя.