2.4. Определение структуры линейного тракта по требованиям к усилению

Выбор преобразователя частоты

Требования, предъ­являемые к преобразователям частоты, определяются назначением и классом приемника. При выборе нелинейного элемента для смесителя, схемы его включения и режима необходимо учитывать диапазон частот принимаемого сигнала и требования в отношении коэффициента шума. Для некоторых приемников, например измерительных и профессиональных связных, наиболее важным является требование к линейности амплитудной характеристики. Это требование лучше всего выполняется при квадратичном характере проходной характеристики нелинейного элемента. Такую проходную характеристику имеют полевые транзисторы. Режим транзистора следует выбирать по характеристике крутизны, которая должна быть линейной на рабочем участке.

В радиовещательных приемниках целесообразно выполнять преобразователи частоты на ИС, в приемниках сантиметрового диапазона используются смесители на полупроводниковых и туннельных диодах, которые характеризуются наиболее низким коэффициентом шума. При высоких требованиях ослабления на выходе смесителя неиспользуемых компонентов преобразования (измерительные, профессиональные связные и другие приемники) применяют балансные и кольцевые схемы преобразователей частоты, в которых нелинейными элементами являются полупроводниковые диоды.

Допустимое значение напряжения сигнала на входе преобразователя частоты, при котором нелинейные искажения не превосходят заданного уровня, можно определить по формуле:

, (1.2.48)

где – напряжение собственных шумов, приведенное к входу преобразователя;

D_пp – динамический диапазон преобразователя.

Современные преобразователи частоты в зависимости от используемых активных элементов имеют различные динамические диапазоны:

• на биполярных транзисторах до 50...60 дБ;

• на полевых – до 90... 100 дБ и более;

• кольцевые и балансные на полупроводниковых диодах – до 120...130 дБ.

Если нет данных о динамическом диапазоне преобразователя, при выполнении предварительного расчета структурных схем профессиональных приемников можно принимать допустимое напряжение сигнала на входе смесителя:

• на полевом транзисторе равным 200.. 500 мкВ;

• на биполярном транзисторе – 30...40 мкВ;

• на входе кольцевого смесителя 2...5 мВ;

• на входе балансного смесителя и 300... 400 мкВ.

Для радиовещательных приемников эти значения могут быть превышены. На вход кольцевого преобразователя частоты на полупроводниковых диодах можно подавать напряжения сигнала до 0,5 В. Однако для уменьшения нелинейных искажений нужно стремиться к уменьшению уровня сигнала на входе преобразователя.

Выбор детектора

В современных приемниках в качестве детекторов непрерывных сигналов с AM и импульсных сигналов в основном используются полупроводниковые диодные детекторы, работающие чаще всего в линейном режиме. При расчете структурной схемы можно полагать коэффициент передачи диодного детектора равным 0,6...0,8. Напряжение сигнала на входе такого детектора для обеспечения линейного режима должно быть не менее 0,5... 1 В, в зависимости от типа применяемого диода. При расчете радиовещательного приемника можно принимать напряжение на входе детектора 0,05...0,5 В, в зависимости от класса приемника.

Для детектирования сигналов с AM и ОБП используются балансные и кольцевые детекторы на диодах, которые работают по тому же принципу, что и преобразователи частоты. Напряжение сигнала на входе таких детекторов должно быть не более 20...40 мВ, напряжение несущей частоты в средних точках схемы должно составлять 1..2 В, коэффициент передачи находится в пределах 0,4...0,6.

В приемниках сигналов с ЧМ для демодуляции сигналов применяют частотные дискриминаторы (ЧД), дробный детектор (ДД). Простой ЧД с взаимно-расстроенными контурами используют в приемниках частотно-манипулированных сигналов, в приемниках многоканальных спутниковых и тропосферных радиорелейных линий связи. При приеме непрерывных сигналов с ЧМ используются ЧД со связанными, одинаково настроенными контурами и ДД. Крутизна характеристики ЧД со связанными контурами достигает 10...30 мВ/кГц, для дробного детектора – 4...6 мВ/кГц.

Частотному дискриминатору должен предшествовать ограничитель амплитуды. Амплитуда напряжения сигнала на входе ограничителя на биполярном транзисторе должна быть не менее 0,5... 1 В, в зависимости от типа транзистора. Напряжение на входе транзистора ДД должно быть не менее 30...50 мВ.

При детектировании колебаний с ФМ используются балансные и кольцевые фазовые детекторы на полупроводниковых диодах, отличающиеся малым уровнем комбинационных колебаний на выходе. На вход таких детекторов необходимо подавать напряжение сигнала порядка 50... 100 мВ. Коэффициент передачи можно принять равным 0,5. В интегральных схемах применяют ключевой фазовый детектор.

Распределение усиления по трактам

При распределении усиления в тракте приемника необходимо учитывать два противоречивых условия:

1. Для уменьшения коэффициента шума приемника следует стремиться к увеличению усиления во входном устройстве и первых каскадах УРЧ.

2. Для повышения многосигнальной избирательности усиление первых каскадов должно быть небольшим, чтобы амплитуда сигнала (полезного и мешающего) не превышала диапазона линейности первого, второго и т. д. каскадов до фильтра основной селекции в тракте последней ПЧ.

Усиление мощности в первом, втором и последующих каскадах должно лишь несколько превышать минимально необходимое значение, при котором коэффициент шума приемника за счет каждого последующего каскада возрастает примерно на 10%. При этом с небольшим запасом будет обеспечиваться требуемая реальная чувствительность приемника.

Если в техническом задании оговорен требуемый динамический диапазон приемника, то при расчете структурной схемы вначале распределяют усиление между трактами ВЧ, первой и других ПЧ, трактом НЧ, учитывая допустимые уровни на входах каскадов, разграничивающих эти тракты:

1. Усиление в тракте ВЧ должно быть ограничено и, если нужно, регулироваться в зависимости от уровня сигнала в антенне так, чтобы напряжение сигнала на входе первого преобразователя частоты не превышало допустимого значения.

Максимальный коэффициент усиления тракта ВЧ:

, (1.2.49)

где N_пр и – коэффициенты шума преобразователя частоты и УРЧ соответственно.

Если динамический диапазон первого преобразователя частоты меньше требуемого динамического диапазона приемника D, на входе приемника должен быть установлен ступенчатый аттенюатор с максимальным ослаблением:

. (1.2.50)

В случаях, когда значение неизвестно, можно воспользоваться формулой:

, (1.2.51)

где – максимально допустимое напряжение на входе первого преобразователя частоты;

– значение реальной чувствительности приемника.

Количество ступеней аттенюатора:

, (1.2.52)

где – коэффициент ослабления одной ступени аттенюатора (часто принимают ).

2. Усиление в тракте первой ПЧ также должно быть ограничено настолько, чтобы напряжение на входе второго преобразователя частоты (сигнала на частоте настройки и помехи, ослабленной предшествующими селективными системами) не превышало допустимого значения . Максимальный коэффициент усиления тракта ПЧ1:

. (1.2.53)

Практически коэффициент усиления обычно не превышает .

3. Усиление в тракте второй (основной) ПЧ должно обеспечивать получение на входе детектора или ограничителя амплитуды напряжения, достаточного для работы этих каскадов в выбранном режиме. Минимальное значение коэффициента усиления тракта второй ПЧ:

, (1.2.54)

где – коэффициент запаса усиления в линейном тракте, необходимого для компенсации уменьшения усиления вследствие старения элементов, изменения режимов питания и внешних условий. Обычно принимают , причем большие значения соответствуют приемникам высокой чувствительности.

4. Усиление в тракте после детектора должно обеспечивать нормальную работу оконечного устройства. Если оконечное устройство управляется напряжением, номинальное значение которого задано, коэффициент усиления тракта НЧ после детектора:

, (1.2.55)

где – выходное напряжение детектора;

– коэффициент запаса, выбираемый в пределах .

Если же к оконечному устройству необходимо подводить определенную мощность, выбирают соответствующую схему оконечного каскада, тип активного элемента и определяют необходимую амплитуду напряжения на входе этого каскада. В данном случае необходимый коэффициент усиления от выхода детектора до входа оконечного каскада:

. (1.2.56)

Если в ТЗ не оговорен требуемый динамический диапазон приемника, усиление в тракте ВЧ выбирают максимально возможным, которое может быть достигнуто при выбранной структуре тракта по требованиям реальной чувствительности и избирательности по зеркальному каналу. В этом случае необходимое усиление тракта промежуточной части (от входа первого преобразователя частоты):

. (1.2.57)

Для приемников с внутренней (встроенной) антенной значение определяют по формуле:

, (1.2.58)

где – чувствительность приемника, заданная в величинах напряженности поля;

– действующая высота подвеса антенны.

Если чувствительность приемника задана в величинах мощности на входе приемника , то значение определяют по формуле:

. (1.2.59)

Выбор количества каскадов усиления

На этапе разработки структурной схемы приемника количество каскадов УРЧ определяют в процессе выбора структуры тракта ВЧ по требованиям к чувствительности и избирательности. Общий коэффициент усиления тракта ВЧ:

, (1.2.60)

где – коэффициент передачи входного устройства; – коэффициент усиления каскада УРЧ; – число каскадов УРЧ.

Коэффициент передачи входного устройства приемников с фиксированной настройкой можно вычислить в первом приближении по формуле:

, (1.2.61)

где – коэффициент, определяемый по табл. 1.2.9;

– параметр связи между контурами ДПФ.

Таблица 1.2.9. Значение коэффициента  для входных устройств

Вид входного устройства	Вид активного элемента в УСЧ	
Одноконтурное	Полевой транзистор	10
Одноконтурное	Биполярный транзистор	100
Двухконтурное при равной добротности контуров	Полевой транзистор	10(1+ 2)/
	Биполярный транзистор	100(1+ 2)/
Волновод или коаксиальная линия с затуханием d, дБ	—

Коэффициент усиления каскада УРЧ можно принимать равным коэффициенту устойчивого усиления , который определяют по формулам, приведенным в табл. 1.2.10 по выбранному типу активного элемента (АЭ) и схеме включения. Параметры АЭ выбираются из специализированных справочников и, прежде всего, из условий: , а для первого каскада усиления – . Соответствующие значения параметров транзисторов пересчитываются по формулам, согласно приложению Г.

В приемниках с переменной настройкой коэффициент усиления тракта ВЧ изменяется в пределах поддиапазона и при переходе с одного поддиапазона на другой. Характер изменения в пределах поддиапазона зависит от схемы контуров и вида элемента перестройки. Необходимо вычислить значения и для трех частот (крайних и средней) самого высокочастотного поддиа­пазона, затем определить минимальное значение , которое используется в последующих расчетах. Формулы для расчета и приведены в табл. 1.2.11. Значения необходимо рассчитывать на максимальной частоте поддиапазона, если контуры перестраиваются конденсаторами или варикапами, и на минимальной при перестройке контуров вариометрами. Если приемник выполняется без УРЧ, следует учитывать требования в отношении коэффициента шума для преобразователя частоты.

Таблица 1.2.10. Формулы для расчета устойчивого коэффициента усиления

Вид каскада усилителя	Схемы включения АЭ
На полевом транзисторе	С общим истоком
	С общим затвором
На биполярном транзисторе	С общим эмиттером
	С общей базой
Каскодный на полевом транзисторе	–
Каскодный на биполярном транзисторе	–

Минимальная емкость контуров, необходимая для стабильности АЧХ УПЧ при смене активных элементов:

, (1.2.62)

где – средневероятностный разброс емкостей (выходной или входной) активных элементов подключенных к контуру (вычисляется из справочных данных выбранного транзистора: );

– функция, зависящая от вида избирательной системы;

П_УПЧ – полоса пропускания УПЧ.

Единичный коэффициент усиления одноконтурных каскадов:

, (1.2.63)

Единичный коэффициент усиления двухконтурных каскадов:

, (1.2.64)

где , и – минимальные значения емкости одиночного контура, первого и второго контуров ДПФ соответственно;

S – крутизна проходной характеристики активного элемента.

Максимальный осуществимый коэффициент усиления одного каскада на средней частоте полосы пропускания:

, (1.2.65)

где – функция, зависящая от вида избирательной системы.

Количество каскадов N принимают из расчета избирательной системы. При принимают .

Если преобразователь частоты выполнен на таком же активном элементе, как и каскады УПЧ, и его нагрузкой является селективный элемент, применяющийся в УПЧ, коэффициент усиления тракта ПЧ (преобразователь частоты и УПЧ):

. (1.2.66)

При этом количество каскадов УПЧ .

Если полученное значение меньше требуемого, увеличивают количество каскадов до величины:

. (1.2.67)

Чтобы не уменьшать полосу пропускания тракта, целесообразно применять апериодические или широкополосные избирательные каскады, с помощью которых достигается необходимое усиление.

Таблица 1.2.11. Формулы для предварительной оценки коэффициента передачи входного устройства и коэффициента усиления УРЧ

Каскад	Схемы		Частоты поддиапазона
Одноконтурное входное устройство	С индивидуальной связью с антенной при	С настройкой контура конденсатором
		С настройкой контура вариометром
	С внешне емкостной связью с антенной	С настройкой контура конденсатором
		С настройкой контура вариометром
Усилитель с одиночным контуром	На транзисторе	С настройкой контура вариометром
		С настройкой контура конденсатором

ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЙ РАСЧЕТ ВХОДНОЙ ЦЕПИ

Предварительный расчет входной цепи заключается в нахождении параметров антенны, параметров связи контура входной цепи с антенной, коэффициента передачи и коэффициента шума входной цепи радиоприёмного устройства. Методика предварительного расчета справедлива для определения основных параметров входной цепи радиовещательного приёмника [4].

Определяем минимальную и максимальную частоту диапазона с учетом запаса на действие дестабилизирующих факторов:

, (1.2.68)

, (1.2.69)

где = 0,02…0,03 – относительный коэффициент запаса на нижней границе диапазона;

= 0,03…0,05 - относительный коэффициент запаса на верхней границе диапазона;

- граничные частоты диапазона принимаемого сигнала.

Коэффициенты и увеличиваются с ростом средней частоты диапазона принимаемых частот, т.е. минимальны в ДВ диапазоне и максимальны в КВ.

Определяем необходимый коэффициент перекрытия диапазона с учетом величины запаса:

. (1.2.70)

По данным табл. 1.2.12 или табл. 1.2.13 выбираем элемент настройки контура ВЦ на частоту принимаемого сигнала. В стационарных и переносных приёмниках в качестве элемента настройки используются блоки конденсаторов переменной емкости (КПЕ) с механическим управлением или варикапы (варикапные матрицы). В автомобильных приёмниках ДВ, СВ и КВ диапазонов для настройки используются блоки переменных индуктивностей. Максимальную и минимальную индуктивности определяют по результатам расчета контура ВЦ.

Варикап, по сравнению с блоком КПЕ с механическим управлением, снижает стоимость приёмника, его массогабаритные характеристики, упрощает конструкцию, облегчает введение АПЧ. Недостатки варикапа: ухудшается избирательность приёмника по перекрестной помехе, увеличивается погрешность сопряжения контуров гетеродина и преселектора, уменьшается конструктивная добротность контуров.

Таблица 1.2.12. Блоки конденсаторов переменной емкости

КПЕ с воздушным диэлектриком	Емкость секции блока, пФ		КПЕ с твердым диэлектриком	Емкость секции блока, пФ
КПЕ	12	495	КПТМ1	6	240
КПЕ-3	10	430	КПТМ	4	220
КПЕ-4	10	365	КПЕ-5	5	240
КПЕ-2	9	280	КП4-3Г	8	220
КПВМ	7	260	КП4-3В	5	150

Таблица 1.2.13. Варикапы и варикапные матрицы

Тип	Емкость , пФ	Обратное напряжение , В	Частота f, МГц	Коэффициент перекрытия , не менее	Добротность , не менее
КВС111А	29,7-36,3	3	50	2,1	200
КВС119А	168-252	4	1-10	12	100
КВС120	230-320	1	1-10	20	100
КВ127А	230-280	1	1-10	20	140
КВ127В	230-260	1	1-10	20	140
КВ127Б	260-320	1	1-10	20	140
КВ127Г	230-320	1	1-10	20	140
КВ132А	26,4-39,6	1,6	1-10	4	100
КВ133А	120-180	4	1-10	8	100
КВ135А	486-594	1	1-10	20	150

Таблица 1.2.14. Конструктивные добротности контуров

Диапазон частот	Конструктивная добротность контура,		Коэффициент шунтирования контура транзистором УРЧ, q
	с электрической антенной	с магнитной антенной	полевым	биполярным
ДВ	20-50	80-120	1	1,25-1,5
СВ	40-100	90-140	1,1	1,5-2,0
КВ	60-150	140-190	1,2	2,0-2,5
УКВ	100-200	100-200	1,3	2,5-3,0

Необходимо учитывать, что конструктивная добротность контуров в табл. 1.2.14 (использовать совместно с данными табл. 1.2.6) приведена из предположения: . Поэтому при использовании варикапа конструктивная добротность контура корректируется:

, (1.2.71)

где - добротность варикапа при заданном обратном напряжении.

После этого проверяется условие: , где - эквивалентная добротность контура, обеспечивающая заданную избирательность по зеркальному каналу.

Определим эквивалентную ёмкость схемы ВЦ, при которой выбранный элемент настройки обеспечит перекрытие диапазона:

. (1.2.72)

Если , то необходимо выбрать другой элемент настройки с большим отношением . Ориентировочные значения ёмкости схемы приведены в табл. 1.2.15.

Таблица 1.2.15. Значения ёмкости схемы контуров ВЦ

Диапазон частот	ДВ	СВ	КВ	УКВ
, пФ	30-50	25-35	20-30	15-25

Если 30-50 пФ, то необходимо выбрать другой элемент настройки с меньшим отношением .

В растянутых КВ поддиапазонах с небольшим коэффициентом перекрытия ( 50 пФ) рекомендуется использовать растянутую настройку. В этом случае определяется минимальная ёмкость контура ВЦ:

. (1.2.73)

Для контура без растянутой настройки его индуктивность:

. (1.2.74)

Для контура с растянутой настройкой:

. (1.2.75)

В радиовещательных приёмниках обычно используются три вида связи контура ВЦ с антенной: внешнеемкостная, индуктивная в режиме удлинения и комбинированная (индуктивно-емкостная).

Внешнеемкостная связь упрощает конструкцию приёмника, но дает большую неравномерность коэффициента передачи входной цепи при перестройке по диапазону и ухудшает избирательность по зеркальному каналу. Эти недостатки частично компенсируются при использовании внутриемкостной связи контура ВЦ с первым каскадом на биполярном транзисторе. В целом, внешнеемкостная связь используется редко, в основном, в приёмниках с малым коэффициентом перекрытия диапазонов.

Емкость конденсатора связи с антенной определяется:

, (1.2.76)

где - максимальная и минимальная ёмкость антенны;

- эквивалентное затухание контура ВЦ на верхней частоте диапазона, обеспечивающее заданную избирательность по зеркальному каналу. Ёмкости антенны определяются, исходя из номинального значения ёмкости антенны .

Для внешней антенны:

, (1.2.77)

Для штыревой антенны:

, (1.2.78)

Для внешней антенны с действующей высотой =5,0 м - =75 пФ.

Емкость штыревой антенны определяется ее длиной L:

- если L=0,7-0,95 м, то =4,8 пФ;

- если L=0,9-1,05 м, то =6,1 пФ;

- если L=1,0-1,2 м, то =6,8 пФ.

Для контура с растянутой настройкой определяется по формуле (2.73); для контура без растяжки настройки:

. (1.2.79)

Коэффициент передачи входной цепи в предварительном расчете определяется для полного включения контура к последующему каскаду ( ) с большим входным сопротивлением на минимальной частоте диапазона:

. (1.2.80)

При индуктивной связи с антенной в режиме удлинения коэффициент передачи падает с увеличением частоты настройки.

Если неравномерность коэффициента передачи ( ) задана, то коэффициент удлинения определяется по следующей формуле:

. (1.2.81)

Если неравномерность коэффициента передачи не задана, то рекомендуется выбирать =1,2-2, имея в виду, что с ростом улучшается равномерность изменения по диапазону, но уменьшается его величина.

Другой недостаток индуктивной связи – пониженная избирательность на частотах, близких к резонансной частоте антенной цепи.

Индуктивность катушки связи с антенной:

. (1.2.82)

Определим коэффициент связи с антенной, обеспечивающий допустимую расстройку контура ВЦ при изменении при эксплуатации:

, (1.2.83)

где , .

Максимальная и минимальная резонансные частоты антенны:

, (1.2.84)

. (1.2.85)

Определим коэффициент связи контура ВЦ с антенной, обеспечивающий требуемое затухание контура:

. (1.2.86)

Далее выбираем из следующих условий:

, (1.2.87)

где - конструктивно выполнимый коэффициент связи.

= 0,5-0,6 – для катушек с универсальной намоткой;

= 0,4-0,5 - для катушек с однослойной намоткой.

Коэффициент передачи ВЦ в предварительном расчете определяем для полного включения контура к последующему каскаду ( ) с большим входным сопротивлением на максимальной частоте диапазона:

. (1.2.88)

Индуктивно-емкостная связь с антенной обеспечивает малую неравномерность коэффициента передачи при его высоких значениях и рекомендуется к использованию в высококачественных приёмниках с большим коэффициентом перекрытия. Поскольку равномерность коэффициента передачи обеспечивается комбинированной связью, то можно выбрать меньшее значение =1,2-1,5. При выборе следует иметь в виду, что избирательность ВЦ здесь снижается для частот, близких к резонансной частоте антенны. Данный вид связи также ухудшает избирательность по зеркальному каналу.

Индуктивность катушки связи определяем по формуле (1.2.82). Емкость конденсатора связи с антенной:

. (1.2.89)

Допустимый коэффициент связи контура с антенной, определяемый из условия допустимой расстройки контура антенной:

. (1.2.90)

По формуле (1.2.86) определяем . Из условия (1.2.87) находим . Рассчитываем частоту , на которой принимает минимальное значение:

. (1.2.91)

Коэффициент передачи ВЦ в предварительном расчете определяем для полного включения контура к последующему каскаду ( ) с большим входным сопротивлением на частоте :

. (1.2.92)

Коэффициент передачи ВЦ с магнитной антенной определяем на минимальной частоте диапазона для полного включения контура к последующему каскаду ( ) с большим входным сопротивлением:

. (1.2.93)

Если действующая высота антенны не задана, то ее значение может быть определено по требуемому напряжению на входе первого каскада :

, м, (1.2.94)

где Е – требуемая чувствительность приёмника по напряженности поля сигнала.

Если ВЦ включает в себя два контура, то в этом случае коэффициент передачи определяется:

, (1.2.95)

где - коэффициент передачи одноконтурной ВЦ, рассчитанный по формулам (1.2.80), (1.2.88), (1.2.92) или (1.2.93).

Коэффициент шума входных цепей, перестраиваемых изменением ёмкости, определяется на максимальной частоте диапазона. На этапе предварительного расчета он может быть определен по следующим приближенным формулам.

Для одноконтурной ВЦ с электрической антенной:

. (1.2.96)

Для одноконтурной ВЦ с магнитной антенной =1.

Для двухконтурных ВЦ при критической связи между контурами:

, (1.2.97)

где - коэффициент шума первого контура.

Примечание: Округляем полученные значения емкостей до ближайшего номинального значения, которое выбирается из ряда Е24 выпускаемых промышленностью конденсаторов (приложение Ж).