3.5.4 Усилители с повышенной избирательностью

Для повышения избирательности в качестве нагрузки каскада целесообразно использовать фильтры сосредоточенной селекции (ФСС). В качестве ФСС могут быть использованы:

• системы из нескольких связанных колебательных контуров;

• многозвенные трехэлементные LC-фильтры;

• электромеханические фильтры;

• пьезокерамические фильтры (ПКФ);

• кварцевые фильтры;

• фильтры на поверхностных акустических волнах (ПАВ).

В системах мобильной связи наибольшее применение получили пьезокерамические фильтры и фильтры на поверхностных акустических волнах (ПАВ).

Усилитель с нагрузкой в виде пьезокерамического фильтра (ПКФ) представлен на рис 3.20.

Рисунок 3.20 - Усилитель с нагрузкой в виде пьезокерамического фильтра

Пьезокерамический эффект наблюдается не только в кристаллах, но и в поликристаллических веществах, к которым относятся сегнетоэлектрические керамики (пьезокерамики) титанита бария, цирконато-титаната свинца и ряд других. ПКФ обеспечивает высокую избирательность.

Усилитель с нагрузкой в виде фильтра на ПАВ представлен в виде схемы (рис. 3.21)

Рисунок 3.21 - Усилитель с нагрузкой в виде фильтра на ПАВ

Фильтры на ПАВ представляют собой конструкцию, содержащею пьезоэлектрическую подложку (на основе ниобата лития, тантала лития и др.), на которой с помощью фотолитографической технологии размещается штыревая электродная структура, содержащая входной и выходной преобразователи. При подаче на входной преобразователь входного сигнала из-за пьезоэффекта в подложке благодаря упругим деформациям возникают поверхностные акустические волны.

Эти волны распространяются по поверхности подложки фильтра и достигают выходного преобразователя.

Фильтры ПАВ относятся к классу неминимально-фазовых цепей, поэтому они позволяют получить произвольную форму АЧХ при достаточно линейной ФЧХ.

3.6 Малошумящие усилители

Малошумящие усилители (МШУ) используются в РПрУ для снижения коэффициента шума, эквивалентной шумовой температуры и повышения тем самым чувствительности приемного устройства.

Основные технические требования, предъявляемые к МШУ:

• ширина полосы рабочих частот может достигать 15…20% средней рабочей частоты;

• шумовая температура МШУ должна быть минимальной;

• коэффициент усиления МШУ по мощности;

• линейность амплитудной характеристики.

Среди многообразия типов МШУ наиболее широкое применение получили широкополосные малошумящие усилители на транзисторах и полупроводниковые параметрические.

Остановимся кратко на параметрических малошумящих усилителях.

3.6.1 Малошумящие параметрические усилители радиосигналов

В основе работы параметрического МШУ [5] лежит физический процесс преобразования энергии источника высокочастотного колебания (так называемого генератора «накачки») в энергию выходного колебания. Обмен энергии осуществляется с помощью реактивного элемента – емкости или индуктивности, величины которых или изменяются как функции времени благодаря управлению генератором «накачки». Параметрические усилители радиочастоты наряду с усилением высокочастотного сигнала могут осуществлять также преобразование его частоты.

Покажем на примере (рис. 3.22), что соответствующее изменение емкости приводит к эффекту усиления сигнала в колебательном контуре.

Рисунок 3.22

Известно, что напряжение , заряд и емкость конденсатора связаны соотношением или .

Дифференцируя левую и правую части выражения по соответствующим переменным и , находим

или .

Для приращений и можно считать, что и . Тогда . Таким образом, изменения емкости контура на величину приводит к изменения напряжения на конденсаторе: для получаем .

Физически сущность усиления сигнала в параметрическом усилителе заключается в целенаправленном отборе энергии от источника (генератора «накачки»), управляющего емкостью . Эта энергия, запасаемая в конденсаторе, затем передается в контур, что приводит к регенерации потерь контура и увеличения уровня сигнала на его выходе. Таким образом, с помощью генератора «накачки» в контур как бы нагнетается («накачивается») энергия от вспомогательного источника.

Простейшим параметрическим усилителем (ПУ) является одноконтурный усилитель (рис. 3.23).

Рисунок 3.23 – Одноконтурный параметрический усилитель

В качестве переменной емкости используется полупроводниковый диод (например варикап). Напряжение на диоде складывается из постоянного напряжения смещения и переменного напряжения накачки . Емкость диода изменяется с частотой генератора накачки.

Полезный сигнал через фильтр , настроенный на частоту накачки, поступает в контур. Этот фильтр обеспечивает развязку источника накачки. Фильтр настроен на частоту сигнала и ослабляет шунтирующее действие генератора накачки. Фильтр , настроенный на частоту накачки, ослабляет шунтирующее действие сопротивления нагрузки на генератор накачки.

Двухконтурный ПУ представлен схемой (рис. 3.24)

Рисунок 3.24 - Двухконтурный параметрический усилитель

Здесь контур из , - сигнальный. Контур из , - холостой контур.

Частота генератора накачки может быть взята как .

Усильный сигнал снимается с сигнального контура. Такой усилитель называется двухконтурным регенеративным усилителем. Если усиленный сигнал снимается с холостого контура, то усилитель называется регенеративным преобразователем.

Эффективная шумовая температура двухконтурного ПУ определяется выражением

,

где - температура окружающей среды;

- частота настройки холостого контура.

Отсюда следует, что для уменьшения мощности шумов ПУ (повышения чувствительности РПрУ) необходимо увеличивать частоту колебаний генератора накачки и уменьшать температуру окружающей среды.