9 Лекция

Цель: усиление низких (звуковых) частот, усиление сигналов радиочастот, выделение сигнала разностной частоты, построение схемы радиоприёмника.

Содержание: схемотехника аналоговых усилителей зауковых частот, усилители звуковых частот, работающие в ключевом режиме класса «D», схемотехника усилителей высоких (радио) частот, схемотехника радиоприёмников.

9.1 Усилители низкой частоты

Современная микросхемотехника располагает широким набором усилителей сигналов различных частот, начиная от нулевой частоты и вплоть до СВЧ-сигналов. Микросхемы изготавливают как по полупроводниковой, так и по гибридной технологиям. В качестве примеров рассмотрим некоторые микросхемы, начнём с предварительного усилителя звуковой (низкой) частоты (УЗЧ). На рис. 39,а приведена микросхема 4-х каскадного предварительного, т.е. не имеющего мощного выходного каскада, УЗЧ.

Рисунок 39 – Принципиальная схема микросхемы УЗЧ типа К174УН3

Все межкаскадные связи непосредственные, т.е. отсутствуют разделительные конденсаторы, это связано с технологическими трудностями изготовления конденсаторов в полупроводниковых ИС. Входной сигнал подаётся на базу

транзистора Т1, это вывод 10 чипа, коллекторная нагрузка Т1 соединяется с проводом питания вне микросхемы с помощью навесного резистора R3, см. рис. 40. Эмиттер Т1 соединён с общим проводом тоже с помощью навесного резистора R2. Сигнал с коллектора Т1 непосредственно переходит в базу транзистора Т2, коллекторная нагрузка Т2 находится внутри чипа (резистор R1 на рис. 39), а эмиттер соединяется с общим проводом через навесное сопротивление R4 (рис. 40).

Коллекторное напряжение Т2 подаётся на базу Т3, коллекторная нагрузка Т3 находится внутри чипа – резистор R3 (рис. 39). Резистор R4 является общим эмиттерным сопротивлением для транзисторов Т3 и Т4. Сигнал с коллектора Т3 проходит на базу выходного транзистора Т9 через цепочку транзисторов Т5...Т8. Эти транзисторы служат для согласования уровня постоянного напряжения коллектора Т3 с низким постоянным напряжением базы Т9. Транзисторы Т5...Т8 включены как диоды в проводящем направлении, суммарное падение напряжения на них составляет (4 В. Коллекторное сопротивление Т9 внешнее, навесное, это резистор R8 на рис. 40. С выхода схемы подаётся отрицательная обратная связь по постоянному напряжению на базу транзистора Т6 через резисторный делитель R9 – R7. Эта ООС служит для температурной стабилизации режима УЗЧ. Конденсатор С6 большой ёмкости шунтирует резистор R7 с тем, чтобы напряжение обратной связи не содержало переменного сигнала, весь сигнал через С6 блокируется на землю. Ещё одна ООС по постоянному напряжению передаёт ток от точки

между резисторами R₄ и R₅ на базу Т1 через резистор R₁, этим током определяется рабочая точка транзистора Т1.

Существует множество микросхем усилителей мощности низкой частоты, работающих в непрерывном режиме, но в настоящее время главенствующее положение занимают усилители мощности, основаные на ключевом режиме работы выходных транзисторов, – так называемые усилители класса D. Так,

если КПД усилителя класса А составляет менее 50%, класса В – около 75%,

Рисунок 40 – Схема включения микросхемы К174УН3

то КПД усилителя класса D превышыет 90%.

За основу работы УЗЧ класса D принята широтно-импульсная модуляция входного сигнала (см. лекцию 6), ШИМ-импульсы от модулятора подаются на переключение мощных выходных транзисторов. Усиленные по мощности ШИМ-импульсы поступают на демодулятор, с его выхода получают непрерывный аналоговый сигнал, который подают на громкоговоритель.

Схема усилителя мощности класса D показана на рис. 41. Транзистор Т1

а) б)

Рисунок 41 – Схема УЗЧ класса D – а), временные диаграммы – б)

включается и выключается разнополярными импульсами ШИМ-модулятора, так, что на его коллекторе импульсы имеют размах от напряжения +U_П до -U_П . Этими импульсами переключаются комплементарные транзисторы Т2 и Т3. Положительным импульсом коллектора Т1 открывается транзистор Т3 и закрывается Т2, в точке соединения их эмиттеров будет напряжение +U_ВЫХ ,

практически равное +U_П относительно общего провода – земли, как показано на рис. 41,б. Отрицательным импульсом коллектора Т1 наоборот, транзистор Т3 закрывается, а Т2 открывается и в точке соединения их эмиттеров будет напряжение -U_ВЫХ , равное -U_П относительно земли.

Тактовая частота ШИМ модулятора выбирается по теореме Котельникова, то есть она должна быть как минимум вдвое выше частоты высшей гармоники входного сигнала. В стандарте Hi-Fi принято частоту высшей гармоники считать равной 20 кГц, следовательно тактовая частота должна быть не менее 40 кГц.

Демодулятор ШИМ-импульсов представляет собой LC фильтр низких частот, состоящий из индуктивности дросселя Др и конденсатора С₂. Этот ФНЧ нужно расссчитывать на подавление импульсов с частотой следования 40 кГц. Конденсатор С₁ служит для разделения (развязки) громкоговорителя и усилителя по постоянному току, его ёмкость должна рассчитываться так, чтобы сопротивление Х_С для основной (первой) гармоники сигнала было бы значительно меньше сопротивления нагрузки – громкоговорителя.

Ток нагрузки I_Н определяется постоянной составляющей напряжения выходных импульсов, как видно из рис. 41,б.

9.2 Высокочастотные микросхемы

В настоящее время аналоговые микросхемы широко используются в радио и телевизионной аппаратуре. Интегральные схемы не только заменяют отдельные узлы и блоки, которые прежде изготавливались из дискретных компонентов, но могут представлять собой целые устройства. Для примера на рис. 42 показана блок-схема микросхемы радиоприёмника супергетеродинного типа.

Рисунок 42 – Блок-схема супергетеродинного радиоприёмника в интегральном исполнении

Навесными компонентами являются колебательные контура: входной, гетеродинный, контур преселектора. К навесным изделиям относится также фильтр сосредоточенной селекции (ФСС), громкоговоритель и компоненты, относящиеся к органам настройки, управления, регулирования.

Входной колебательный контур настраивается на сигнал нужной частоты из всего множества сигналов, наводящих ЭДС в антенне. Сигнал входного контура усиливается резонансным усилителем радиочастоты (РЧ), коллекторной нагрузкой которого тоже служит колебательный контур, настроенный на частоту принимаемого сигнала. Этот усилитель называется преселектором, т.к. он повышает избирательность (селективность) приёмника.

Одновременно с настройкой входного контура и контура преселектора перестраивается и контур гетеродина, но частота колебаний, генерируемых гетеродином обычно ниже частоты сигнала на величину f_ПЧ - промежуточной частоты (ПЧ). При перестройке контуров по диапазону разность частот принимаемого сигнала и колебаний гетеродина отстаётся неизменной.

Сигнал с выхода преселектора и напряжение гетеродина поступают на входы смесителя, который вырабатывает множество комбинационных частот, но из всего множества частот нужно выбрать только сигнал с промежуточной частотой. Для этого служит усилитель промежуточной частоты (УПЧ), который по сути дела является полосовым фильтром с центральной частотой, равной f_ПЧ. Избирательность УПЧ обеспечивается за счёт ФСС, представляющий собой систему связанных контуров, включённых в качестве коллекторной нагрузки. В качестве ФСС используются также пьезорезонансные колебательные системы. Поскольку промежуточная чатота f_ПЧ остаётся постоянной при перестройке приёмника, то нет необходимости в перестройке ФСС. Это обстоятельство обеспечивает устойчивость работы УПЧ, именно поэтому супергетеродинный приёмник является основным типом приёмников и используется в радиотехнике, начиная с 1918 года.

Выходной сигнал УПЧ подаётся на детектор, в котором производится демодуляция, т.е. восстановление формы принятого НЧ-сигнала. Продетектированный сигнал поступает на вход УЗЧ, а также на вход усилителя системы автоматического регулирования усиления (АРУ).

Система АРУ служит для воздействия на коэффициент усиления УПЧ с тем, чтобы поддерживать постоянный уровень громкости при замираниях (федингах), вызываемых ослаблениями напряжённости поля под влиянием атмосферных условий распространения радиоволн.