3. Входные цепи при работе с настроенными антеннами.

Настроенные антенны применяют в диапазонах, в которых размеры антенны соизмеримы с длиной волны. Это телевизионное вещание, профессиональные приемники декаметровых волн, магистральные линии связи и пр. Обычно в таких случаях предъявляют высокие требования к чувствительности приемника, которая ограничена его собственными шумами, поэтому важно обеспечить наилучшую передачу сигнала от антенны к входу усилителя радиочастоты. Максимальный коэффициент передачи по мощности достигается согласованием антенны с фидером и фидера с входом первого усилительного каскада (рис. 9).

а б

в

Рис.9. Подключение настроенных антенн.

Условие согласования предполагает равенство проводимости, вносимой из антенны в контур, и собственной проводимости контура с учетом влияния входа последующего каскада n₁²g_A=g_К+n₂²g_вх.

Типичным способом согласования является двойная автотрансформаторная связь (рис.9 б). Фидером чаще всего является симметричный или несимметричный коаксиальный кабель с нормируемым сопротивлением. Согласование фидера и получение заданного результирующего затухания достигается выбором коэффициентов трансформации n₁ и n₂.

При несимметричном фидере наряду с автотрансформаторной связью можно использовать и емкостной делитель (рис 9 в).

4. Общий анализ селективного урч.

3.Схемы и параметры усилителей радиочастоты (урч).

1. Назначение усилителей радиочастоты.

Усилители радиочастоты (УРЧ) являются первыми усилительными каскадами радиоприемного устройства. Они предназначены для усиления слабых сигналов и обеспечения частотной избирательности. УРЧ делятся на апериодические и резонансные. Апериодические усилители обеспечивают усиление сигналов без частотной селекции, а резонансные кроме усиления обеспечивают еще и селекцию.

В качестве активных элементов в УРЧ на умеренно высоких частотах используются биполярные и полевые транзисторы, а в диапазоне СВЧ – туннельные диоды, лампы бегущей волны и некоторые другие приборы.

Резонансные усилители применяются как в тракте высокой частоты, так и в тракте промежуточной частоты приемника. Во втором случае они имеют фиксированную частотную настройку и полосу пропускания.

2. Основные параметры УРЧ.

• Коэффициент усиления.

На умеренно высоких частотах коэффициент усиления определяется по напряжению, а в диапазоне СВЧ – по мощности.

;

Коэффициент усиления принято выражать в децибелах

; (1)

Если усилитель многокаскадный, то его общий коэффициент усиления равен произведению коэффициентов усиления отдельных каскадов

или

(2)

• Избирательность.

Избирательность УРЧ определяется формой амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) резонансной системы усилителя. Избирательность оценивается коэффициентом избирательности

, (3)

показывающим во сколько раз уменьшается коэффициент усиления при расстройке по сравнению с коэффициентом при резонансе. Избирательность многокаскадного усилителя определяется произведением .

Избирательность принято оценивать в децибелах

(4)

Для многокаскадного усилителя

(5)

Полоса пропускания.

Полосой пропускания называют полосу частот, на границах которой коэффициент усиления уменьшается до 0,707 .

К другим параметрам УРЧ относятся:

• коэффициент перекрытия диапазона частот;

• неравномерность АЧХ в полосе пропускания;

• уровень нелинейных искажений;

• динамический диапазон;

• коэффициент шума;

• коэффициент устойчивости.

3. Основные схемы УРЧ.

В качестве селективных цепей в УРЧ обычно используются одиночные контуры с сосредоточенными параметрами.

Активными элементами схемы являются биполярные или полевые транзисторы, включенные по схеме с общим эмиттером (истоком) или с общей базой (затвором). Первый вариант обеспечивает наибольшее усиление по мощности, второй – повышенный коэффициент устойчивости на высоких частотах. Для того, чтобы биполярный транзистор не очень сильно шунтировал колебательный контур и не снижал его добротности, он подключается к контуру частично. То же самое относится и к подключению последующего каскада. Полевые транзисторы, обладающие более высокими входными и выходными сопротивлениями, чем биполярные, позволяют осуществлять полное подключение контура по входу и выходу. Кроме того, обладая малой проходной емкостью, полевые транзисторы обеспечивают устойчивую работу УРЧ даже на ультравысоких частотах. Они по сравнению с биполярными транзисторами имеют меньший уровень собственных шумов и лучшую термостабильность. Типовые схемы УРЧ приведены на рис. 1.

а)

б)

в)

Рис. 1 Типовые схемы УРЧ на биполярном (а, б)

и полевом (в) транзисторах.

В схеме на рис. 1б контур включен в коллекторную цепь по трансформаторной схеме. Здесь коллекторный ток не протекает через контур, что несколько повышает стабильность его параметров.

В диапазонах ДВ и СВ иногда применяют апериодические УРЧ, нагрузкой которых является резистор или дроссель, не обладающие резонансными свойствами (рис. 2а). Такие усилители обычно выполняются на микросхемах. На рис.2б приведена схема УРЧ на дифференциальном (балансном) усилителе.

а)

б)

Рис. 2 Варианты схем апериодических усилителей.

Балансный усилитель выполнен на транзисторах VT1, VT2 и резисторах R_K1 и R_K2, которые образуют мостовую схему. При работе от дифференциального входа (U_вх.д.) на базы транзисторов поступают одинаковые по амплитуде, но противоположные по фазе напряжения. При этом изменения коллекторных токов и напряжений транзисторов VT1 и VT2 имеют противоположный характер. В результате на выходе усилителя появляется разностное напряжение U_вых.. При синфазном воздействии помехи (U_{вх. с.}), которая может быть следствием наводок, нестабильности питающих напряжений, изменения температуры окружающей среды и т. п., токи транзисторов и потенциалы коллекторов изменяются одинаково и при условии полной симметрии плеч моста выходное напряжение изменяться не будет. Это позволяет создавать УРЧ с высокой помехоустойчивостью и стабильностью. Нагрузка УРЧ может быть как апериодической, так и селективной.

Малая паразитная связь между выходом и входом позволяет использовать дифференциальные УРЧ на частотах до 300 МГц без цепей нейтрализации.

На частотах выше 30 – 40 МГц для обеспечения устойчивости усилителя транзисторы включают по схеме с общей базой (или общим затвором) – рис. 3.

Рис. 3 Схема УРЧ на транзисторе

с заземленной базой.

Основная особенность такой схемы состоит в том, что вся переменная составляющая коллекторного тока протекает через входной контур, вследствие чего образуется 100% отрицательная обратная связь, т. е. коэффициент усиления по току такого каскада равен единице. Это несколько снижает коэффициент усиления по мощности по сравнению со схемой с общим эмиттером, но при этом существенно возрастает коэффициент устойчивости усилителя и снижается уровень его шумов.

В УРЧ метрового диапазона, а также в приемниках импульсных сигналов, широко применяются каскодные схемы (рис. 4). Составной транзистор (обведен пунктиром) можно рассматривать как один каскад. Такой каскад обладает целым рядом положительных качеств:

• малой внутренней обратной связью, что позволяет обеспечивать высокий устойчивый коэффициент усиления;

• коэффициент усиления по мощности определяется первым транзистором, а по напряжению – вторым;

• выходная проводимость схемы меньше аналогичной проводимости схемы с ОЭ, что позволяет осуществлять полное включение контура в цепь коллектора и обеспечить лучшую селективность;

• схема обладает достаточно высоким входным сопротивлением.

Рис. 4 Схема УРЧ с составным транзистором.

Еще большее усиление по мощности и высокое входное сопротивление можно получить при совместном включении полевого (VT1) и биполярного (VT2) транзисторов.

На рис. 5 приведена схема УРЧ с электронной настройкой. Общая емкость контура зависит от емкости варикапов, которые можно изменять путем изменения величины подаваемого на них с резистора напряжения смещения. Встречное включение варикапов повышает линейность регулировочной характеристики.

Рис. 5 Схема УРЧ с электронной настройкой.

4. Усилители радиочастоты на интегральных микросхемах.

Интегральные микросхемы (ИМС), которые могут использоваться в каскадах УРЧ, разделяются на полупроводниковые (серии 118, 174, 175) и гибридные (серии 224, 228, 435). В полупроводниковых ИМС все элементы и межэлементные соединения выполняются в объеме и на поверхности полупроводника. Гибридные ИМС включают в себя помимо полупроводниковых элементов различные дискретные компоненты – конденсаторы, резисторы и т. д.

Верхний предел полупроводниковых ИМС по частоте обычно не превышает 200 МГц. Кроме того, они уступают по шумовым свойствам гибридным ИМС и специальным малошумящим транзисторам. По этим причинам УРЧ и другие малошумящие усилители строят на гибридных ИМС и на микросборках с использованием бескорпусных транзисторов.

Схемотехника полупроводниковых микросхем определяется, прежде всего, технологическими возможностями изготовления схемы в объеме одного кристалла.

Во многих полупроводниковых ИМС в качестве основного элемента используется дифференциальный каскад (рис. 6).

Применение микросхем на базе дифференциальных каскадов позволяет уменьшить габариты приемных устройств, повысить показатели экономичности и надежности. Помимо усилительных элементов в микросхемах применяются вспомогательные транзисторы для регулирования усиления, стабилизации режима, согласования каскадов. Так в схеме резонансного УРЧ на ИМС типа 235УР7 (рис. 6) используется три биполярных транзистора.

Рис. 6 Схема резонансного УРЧ на микросхеме 235УР7.

Примерами применения дифференциального каскада могут служить также полупроводниковые микросхемы типов 175УВ2 и 175УВ5. Принципиальная схема и назначение выводов ИМС тапа 175УВ2 приведены на рис. 7. Для усиления сигналов радиочастоты используется дифференциальный каскад, состоящий из двух симметричных плеч. Отсутствие внутренних коллекторных нагрузок позволяет подключать к ИМС различные избирательные цепи. Режим работы усилителя по постоянному току задается цепями смещения на транзисторе VT1 и резисторах R1 и R2. Резисторы R6 и R7 служат для подачи напряжения смещения в цепи баз дифференциальной пары транзисторов VT4 и VT6.

Рис. 7 Принципиальная схема (а) и назначение выводов (б) ИМС типа175УВ2.

На рис.8 изображена типовая схема УРЧ на ИМС типа К175УВ2, в которой перестройка диапазонов производится конденсатором С. Применение ИМС типа 175УВ2 позволяет вводить автоматическую регулировку усиления, для чего управляющее напряжение подается на вход 13, изменяя ток транзисторов.

Рис. 8 Типовая схема включения ИМС типа 175УВ2.

5. Усилители радиочастоты на гибридных интегральных микросхемах.

Значительная часть микросхем для УРЧ изготавливается по гибридной технологии. На рис. 9 показана схема каскада УРЧ на ИМС типа 228УВ3, в которой осуществлено каскодное включение двух транзисторов по схеме ОЭ - ОБ. Питание транзисторов VT1 и VT2 осуществляется последовательно по постоянному току. При этом требуется источник питания с напряжением, вдвое большим, чем для усилительного каскада на одном транзисторе.

Рис. 9 Схема каскада УРЧ на ИМС типа 228УВ3.

Транзисторы VT1 и VT2 можно рассматривать как единый активный элемент, который обладает следующими свойствами:

• внутренняя обратная связь здесь примерно на два порядка ниже, чем в УРЧ на биполярном транзисторе с ОЭ, что позволяет получить более высокий коэффициент устойчивого усиления;

• коэффициент усиления по напряжению равен коэффициенту усиления по напряжению второго каскада;

• коэффициент усиления по мощности равен коэффициенту усиления по мощности первого каскада; коэффициент шума равен коэффициенту шума первого каскада;

• выходная проводимость каскадной схемы меньше выходной проводимости УРЧ на биполярном транзисторе с ОЭ, что позволяет применять полное включение контура в цепь коллектора транзистора VT2 и обеспечивать высокую избирательность каскада;

• входная проводимость каскадного усилителя соответствует входной проводимости схемы каскада на одном транзисторе с ОЭ.

Таким образом, каскадная схема включения транзисторов позволяет сохранить преимущества схемы каскада с ОБ, исключив ее недостатки.