2.4. Распределение общего усиления по трактам радиоприемника и выбор активных элементов схемы.

На следующем этапе эскизного проектирования необходимо определить, какое усиление (по напряжению или по мощности) должен обеспечить каждый из трактов приемника, чтобы при минимальном сигнале на входе, определяемом чувствительностью, получить заданную в ТЗ величину выходного напряжения или мощности. Также должно быть определено число каскадов усиления в каждом тракте, способ реализации каждого каскада (на каких активных элементах: дискретных, или интегральных микросхемах) и выбраны типы активных элементов (усилительных приборов).

В принципе, расчет усиления можно вести, начиная как от входа, так и от выхода приемника. В первом случае исходной величиной является чувствительность, а коэффициенты усиления выбирают, начиная со входных блоков, так, чтобы обеспечить заданное напряжение или мощность на выходе радиоприемника. Во втором случае, наоборот, исходят из заданной выходной мощности или напряжения, а параметры каскадов выбирают, двигаясь от выхода ко входу приемника. Более широко, однако, применяется первый метод, так как входной каскад, кроме усиления, должен обеспечить и другие показатели (малый уровень шумов, многосигнальную избирательность и др.).

Наиболее сложная задача стоит перед разработчиком, если проектируемый приемник предназначен для работы в нескольких диапазонах волн, среди которых есть диапазоны как АМ, так и ЧМ вещания. В этом случае возникает проблема: создавать ли совмещенный универсальный АМ-ЧМ тракт или два раздельных тракта. В принципе, возможно совмещение схем УРЧ, преобразователей частоты и даже УПЧ, несмотря на то, что в диапазоне с АМ используется f_пр = 465 кГц, а в диапазоне с ЧМ обычно f_пр = 10,7 МГц. В настоящее время, как правило, разработчики идут по пути частичного совмещения некоторых узлов, а во многих случаях используют и раздельные тракты, начиная со входной цепи и заканчивая детектором.

Более простым является случай, когда приемник рассчитан на работу с сигналами только АМ или только ЧМ. Если диапазонов несколько, расчет структурной схемы следует проводить с ориентацией на диапазон, для которого задана наиболее высокая чувствительность. Наконец, наиболее просто произвести эскизный расчет, если в приемнике имеется лишь один диапазон, либо из нескольких имеющихся диапазонов по заданию требуется провести расчет лишь для одного.

При проектировании «от входа к выходу» вначале проводятся расчеты для высокочастотного тракта, который состоит из входной цепи, усилителя радиочастоты, преобразователя частоты и усилителя промежуточной частоты, до входа детектора. Прежде всего, выбирают тип детектора, способ его реализации и входное напряжение, которое необходимо для его работы и должно быть обеспечено на выходе высокочастотного тракта.

Тип детектора соответствует типу принимаемых сигналов: амплитудный для приема сигналов с АМ, частотный - для ЧМ.

Из существующих вариантов амплитудного детектора - диодный последовательный, диодный параллельный, транзисторный - наиболее часто применяется самый простой , последовательный диодный детектор. В ряде случаев, когда на выходе УПЧ нежелательно использовать колебательный контур с катушкой связи (для согласования со входом детектора), используют так называемый диодный детектор по схеме удвоения [3]. Оба типа детекторов отличаются простотой и высоким качеством детектирования.

Для последовательного диодного детектора требуется входное напряжение U_{вх д}  0,4 В, если используется германиевый диод, или U_{вх д}  0,7 В, если применяется кремниевый диод. Для схемы с удвоением напряжения, соответственно, примерно в 1,5 раза больше.

В случае проектирования приемника сигналов с ЧМ, может быть применен частотный детектор, построенный по любой известной схеме: с расстроенными контурами, со связанными контурами, дробный детектор. Подробный расчет таких детекторов и величина необходимого напряжения U_{вх д} описаны в литературе [ ]. Однако, в настоящее время, в связи с широким распространением интегральных микросхем указанные типы ЧД все более вытесняются детекторами автокорреляционного типа, действие которых основано на перемножении частотно-модулированного сигнала и его копии, задержанной на некоторое время Т. Такие детекторы строятся на основе перемножителей, входящих в состав ИМС, а роль элемента задержки выполняет обычно колебательный контур, настроенный на промежуточную частоту. Из таких ИМС можно назвать К174УР1, К174УР3, К174ХА6 и др. Поэтому при проектировании приемника ЧМ сигналов целесообразно использовать в составе УПЧ одну из таких микросхем. Необходимо лишь учитывать, что характеристика детектирования U_вых = F(f_c) для любой схемы ЧД является нелинейной в той или иной степени. Поэтому, если в ТЗ оговорен коэффициент гармоник, потребуется более подробный расчет частотного детектора, например, по методике, описанной в [ ].

Если в составе УПЧ используется одна из указанных ИМС с частотным детектором на выходе, с точки зрения эскизного расчета можно рассматривать вход такой микросхемы как вход частотного детектора с повышенной чувствительностью. Входное напряжение детектора U_{вх д} при этом берется равным минимальному входному напряжению соответствующей микросхемы. Например, для ИМС К174УР3 эта величина равна 0,1 мВ. В этом случае под УПЧ следует понимать те каскады, которые включаются между выходом преобразователя частоты и входом данной микросхемы, в том числе фильтр сосредоточенной избирательности (если он используется).

Кроме указанных типов ЧД могут использоваться другие, например, детектор на основе ФАПЧ, детектор счетного типа и др. Их применение обычно связано с особенным построением структурной схемы приемника, поэтому может быть рекомендовано в тех случаях, когда это специально оговорено в ТЗ.

Таким образом, в результате выбора типа детектора и определения напряжения на его входе U_{вх д} можно перейти к нахождению требуемого усиления всего высокочастотного тракта и его распределению по каскадам. Усиление должно быть определено с запасом на разброс параметров элементов и их ухудшение в процессе старения. Обычно запас берут в 2...3 раза, поэтому

(2.12)

где - чувствительность радиоприемника.

Если чувствительность задана не по напряжению (ЭДС), а по напряженности поля , что обычно имеет место для приемников с магнитными антеннами, следует оценить действующую высоту такой антенны . Ориентировочно можно принять [ ] для ДВ м, а для диапазона СВ После этого определяют чувствительность по ЭДС:

(2.13)

Если чувствительность по напряженности поля задана для приемника со штыревой антенной, ее принимают равной половине длины штыря.

Получение значения должно быть обеспечено при прохождении сигнала от входа приемника до входа детектора:

(2.14)

где соответственно, коэффициенты передачи входной цепи, усилителя радиочастоты (если он имеется), преобразователя частоты, фильтра сосредоточенной избирательности (если он используется) и каскадов УПЧ.

Далее следует определить значения всех указанных коэффициентов. Прежде всего, оценивают коэффициент передачи входной цепи. Величина зависит от многих факторов, в том числе от схемы ВЦ, и может лежать в широких пределах для каждого из диапазонов. В качестве достаточно достоверных значений для одноконтурных входных цепей можно рекомендовать ориентировочные величины , приведенные в [2].

Необходимо заметить, что значение , полученное далее в процессе электрического расчета, как и значения других коэффициентов, могут значительно отличаться от величин, выбранных во время эскизного проектирования. Это можно считать допустимым, если в целом обеспечивается значение К_{о треб­}. В противном случае необходимо вернуться к стадии эскизного проектирования и провести выбор этих значений более тщательно.

Перед тем, как определить коэффициент передачи УРЧ (если он необходим с точки зрения избирательности по зеркальному каналу), выбирают тип активного элемента, который будет здесь использоваться. Каскады УРЧ рекомендуется выполнять на дискретных активных элементах (биполярных или полевых транзисторах), а не на элементах, входящих в состав ИМС. Последние имеют обычно худшие характеристики и не годятся, по крайней мере, для первых каскадов усиления.

Однозначных рекомендаций по предпочтению биполярных или полевых транзисторов не существует. Одно из основных достоинств полевого транзистора, высокое входное сопротивление, не реализуется в полной мере в каскаде УРЧ из-за сравнительно низких резонансных сопротивлений колебательных контуров. В то же время проводимость прямой передачи (крутизна) полевых транзисторов (ПТ) значительно, иногда в десятки раз, меньше, чем у биполярных. К тому же биполярные транзисторы (БТ) работают при меньших токах покоя, чем полевые. Основным преимуществом ПТ для применения в каскадах УРЧ являются значительно лучшие параметры многосигнальной избирательности, которые связаны с формой проходной характеристики транзистора, в частности, с величиной второй производной от крутизны.

Таким образом, преимущественно можно рекомендовать ПТ для применения в высококачественных стационарных радиоприемниках, где предъявляются высокие требования к избирательности, а ток потребления не играет особой роли.

Если в задании на проект указаны параметры многосигнальной избирательности, на этапе эскизного проектирования следует рассмотреть оба варианта: применение как ПТ, так и БТ, и выбрать из них лучший. В случае, если такие параметры в ТЗ не оговорены, целесообразно остановиться на биполярных транзисторах.

При необходимости учета требований многосигнальной избирательности, методику расчета можно найти в [2].

Далее следует выбрать конкретный тип транзистора. При этом ориентируются прежде всего на его частотные свойства, не забывая, однако, что УРЧ работает на входе приемника, поэтому должен обладать малым уровнем собственных шумов. Поэтому выбор нужно производить из тех типов транзисторов, для которых в справочниках приводится значение коэффициента шумов. Для прочих типов значение этого коэффициента не нормируется, и они не являются малошумящими.

Для характеристики частотных свойств транзисторов в справочниках обычно приводится значение предельной частоты усиления , на которой коэффициент передачи по току в схеме с общим эмиттером снижается до единицы. Желательно, чтобы частота усиливаемого сигнала удовлетворяла условию Чем сильнее выполняется это неравенство, тем лучше его усилительные свойства на рабочих частотах приемника. Однако, при проектировании приемников УКВ, особенно УКВ-2, не следует стремиться выбирать транзисторы, у которых , так как такие транзисторы предназначены для диапазонов сверхвысоких частот и их применение в радиовещательных приемниках нецелесообразно.

Для окончательного выбора типа транзистора следует оценить значение коэффициента устойчивого усиления и предельного коэффициента усиления каскада УРЧ .

Коэффициент устойчивого усиления характеризует влияние на работу каскада внутренней обратной связи, которая возникает в транзисторе через проводимость обратной связи . Считается, что каскад работает устойчиво, если его коэффициент усиления изменяется под действием внутренней обратной связи не более, чем на (10...20)%. При этом условии можно определить по формуле

(2.15)

Определяют на максимальной частоте диапазона. Для его нахождения необходимы параметры транзистора и , которые редко приводятся в справочниках, поэтому их приходится определять на основе других параметров. Например, известно соотношение: где вещественная составляющая проводимости прямой передачи вещественная составляющая входной проводимости, а коэффициент усиления по току в схеме с общим эмиттером. Значения для схемы с общим эмиттером также обычно отсутствуют в распространенных справочниках. Для их нахождения можно воспользоваться литературными источниками, например, [2], в которых даются эти величины. Значения в справочниках обычно приводятся, причем, часто в двух вариантах: статический коэффициент передачи тока (т. е. на постоянном токе) и модуль этого коэффициента на высокой частоте (значение этой частоты, как правило, указывается). Для использования в формуле (2.15) и во всех дальнейших расчетах необходимо определить значение на тех частотах, которые будет усиливать транзистор, в соответствии с техническим заданием. Для этого следует воспользоваться известными формулами частотной зависимости параметров транзистора[3]. Поскольку коэффициент приводится в справочнике с разбросом для расчетов обычно берут усредненное значение . Величину входной проводимости необходимо выбирать также с учетом рабочих частот приемника.

Проводимость обратной передачи носит преимущественно емкостный характер, поэтому можно считать . Если величина в справочнике отсутствует, можно приближенно считать

, (2.16)

где - емкость коллекторного перехода.

Предельный коэффициент усиления характеризует предельные способности транзистора усиливать сигнал на рабочей частоте УРЧ:

(2.17)

где в качестве следует принять входную проводимость следующего каскада УРЧ или преобразователя частоты. Значения всех параметров должны быть взяты для тех частот, на которых будет работать УРЧ.

Рассчитав значения и для выбранного транзистора, следует определить реальный коэффициент усиления каскада, который затем должен быть подтвержден электрическим расчетом. При этом исходят из соотношений

(2.18)

Обычно считают, что не должен быть больше, чем 5...10 раз. В противном случае возможна перегрузка смесителя сильными помехами. Если следует выбрать другой тип транзистора.

Далее необходимо выбрать активный элемент преобразователя частоты, точнее активный элемент смесителя. В приемниках радиовещательных диапазонов диодные смесители, как правило, не применяются, поэтому, прежде всего, следует решить, строить смеситель на отдельном транзисторе (биполярном или полевом), либо применить интегральную микросхему. Однозначную рекомендацию дать невозможно. Смесители в современных ИМС строятся обычно по балансной и двойной балансной схеме, что обеспечивает хорошее подавление большинства побочных каналов приема. Особенно хорошо себя проявила микросхема К174ПС1, созданная специально как смеситель. В то же время, если использовать в качестве смесителя полевой транзистор, у которого сток-затворная характеристика подчиняется квадратичному закону, уровень комбинационных составляющих также достаточно мал. Особенно удобны в качестве смесителей двухзатворные ПТ: подавая сигнал и напряжение гетеродина на два разных затвора, можно обеспечить весьма малое влияние этих цепей друг на друга, что способствует высокой стабильности частоты гетеродина.

Еще одно соображение касается уровня шумов. Коэффициент шума микросхемы, как правило, выше, чем у отдельного транзистора, что связано с технологическими особенностями ИМС. Например, у микросхемы К174ПС1 значение коэффициента шума равно 7 дБ, в то время, как для ряда широко распространенных транзисторов его величина составляет 2,5...4 дБ.

Поэтому, если в структурной схеме радиоприемника отсутствует УРЧ и первым каскадом является преобразователь, для обеспечения более высокой чувствительности следует отдать предпочтение смесителю на биполярном транзисторе. Полевой транзистор менее желателен, так как он обеспечивает меньший коэффициент передачи сигнала, что в конечном итоге ухудшает чувствительность приемника.

Следует также учитывать, что, согласно сложившейся практике, ИМС типа К174ПС1 применяется, как правило, в профессиональных приемниках, а в радиовещательных ее обычно не используют.

Если же смеситель будет выполнен на биполярном или полевом транзисторе, то для него, как и для УРЧ, следует определить значение устойчивого и предельного коэффициентов передачи и взять для дальнейших расчетов меньшее из них. Расчет проводится по тем же формулам (2.15), (2.17), но значения берутся для режима преобразования, а не усиления. Так как для режима преобразования параметры транзисторов обычно не приводятся в справочниках, можно ориентировочно считать, что в режиме преобразования вдвое меньше, чем в режиме усиления. Это же справедливо по отношению к проводимостям Коэффициент шума транзистора (выраженный в разах) для режима преобразования в 1,5...2 раза больше, чем в режиме усиления [3].

Теперь, когда определены коэффициенты значений передачи входной цепи, УРЧ, преобразователя, а также ФСИ, можно оценить требуемый коэффициент передачи усилителя промежуточной частоты и выбрать его структуру и тип активных элементов.

(2.19)

Полученное значение может лежать в пределах от 7...20, если это приемник УКВ, в котором используется ИМС, содержащая частотный детектор, до 700...1200, если это приемник диапазонов ДВ, СВ, КВ. В первом случае УПЧ обычно содержит один-два каскада с резисторной нагрузкой, усиление каждого из которых на частоте 10,7 МГц может составлять Во втором случае целесообразно применить комбинацию из двух каскадов, один из которых резисторный (апериодический), а второй резонансный. Тип транзисторов для УПЧ выбирается из тех же соображений, что и для УРЧ, только на коэффициент шума можно обращать меньшее внимание. Для резонансного каскада также следует определить значения и принять в качестве расчетного меньшее из этих значений.

Резонансный каскад на частоте 465 кГц при правильно сделанном выборе транзистора способен обеспечить усиление до 60...100 раз. Каскад с резистивной нагрузкой на частоте 465 кГц может обеспечить коэффициент усиления до 10...12 раз, а на частоте 10,7 МГц - до 7...10 раз.

Результирующий коэффициент усиления УПЧ равен произведению

(2.20)

где - число каскадов, - номер каскада.

Если необходимо принять меры к увеличению например, применив в резонансном каскаде каскодную схему, либо добавив еще один резистивный каскад. Число резонансных каскадов увеличивать нежелательно, так как это приводит к усложнению настройки приемника и к появлению возможности самовозбуждения.

В промышленных приемниках для каскадов УПЧ часто используют составные части интегральных микросхем. Для курсового проекта также можно выбрать одну из соответствующих ИМС, однако выбор должен быть обоснован. С точки зрения приобретения опыта проектирования, более полезным является расчет УПЧ на отдельных транзисторах.

Наконец, определив коэффициент усиления УПЧ, еще раз проверяют соответствие реализуемого коэффициента требуемому значению.

(2.21)