Устройства приема и обработки сигналов.-2

Рис. 3.23 Эквивалентная схема усилителя радиочастоты с одиночным колебательным контуром

Эквивалентная емкость одиночного нагруженного контура будет иметь вид (рис. 3.23, в)

CК.Э CК С22.В Н CН.ВН CК n12 C22 n22 CН ,

эквивалентные сопротивление потерь, добротность и резонансное сопротивление [1]

rК.Э rК r22.В Н rН.ВН ;

QЭ 0 LК ;

rК.Э

R0Э QЭ 0 LК .

Коэффициент усиления на произвольной частоте определяется выражением

102

Резонансный коэффициент передачи

На стадии проектирования усилителя радиочастоты исходят из условия оптимизации фильтра по мощности и заданным требованиям избирательности и неравномерности АЧХ в пределах полосы пропускания.

Оптимизация избирательности фильтра по мощности позволяет передать максимальную мощность [1] от одного усилительного элемента к другому в пределах полосы пропускания. К оптимизации прибегают в случае, когда поглощение мощности нагрузкой становится существенным. Эта задача становится актуальной, когда усилитель является широкополосным и необходимо обеспечения условие согласования.

где G0 – резонансная проводимость контура; G22 – выходная проводимость базового усилительного элемента; GН – проводимость нагрузки.

Оптимальный коэффициент трансформации с нагрузкой

Оптимальный коэффициент передачи при резонансе

Эквивалентная добротность контура УРЧ

103

Анализ передаточных свойств УРЧ связывается с величиной индуктивности катушки. Поэтому ее величину выбирают таким образом, чтобы вносимая в контур емкость не превышала допустимой величины эквивалентной емкости контура в целом [1].

Выбор структуры тракта усилителя радиочастоты производится из условия, что избирательная система должна удовлетворять требованиям многосигнальной селективности по побочным каналам приема. При расчете структурной схемы УРЧ принимают такую структуру, при которой обеспечивается заданная чувствительность. В качестве избирательных элементов используется одиночный колебательный контур. Расчет структурной схемы УРЧ может быть проведен исходя из заданной промежуточной частоты или исходя из принципа физической реализуемости (промежуточная частота не задана).

3.2.3 Усилители промежуточной частоты устройств приема и обработки сигналов

Усилители промежуточной частоты отличаются от усилителей радиочастоты наличием более сложных избирательных систем, обеспечивающих основную избирательность по соседнему каналу, и большим числом усилительных каскадов, обеспечивающих основное усиление сигнала. Структурные схемы усилителей промежуточной частоты строятся по принципу распределенной или сосредоточенной избирательности. При распределенной реализации в тракте УПЧ избирательность и усиление осуществляются с помощью поочередного каскадирования избирательных и усилительных звеньев, а при сосредоточенной – функция избирательности и усиления обеспечивается отдельными функциональными узлами – фильтром сосредоточенной селекции (ФСС) и многокаскадным апериодическим усилителем.

При построении УПЧ по схеме распределенной избиратель-

ности показатели и характеристики многокаскадных резонансных усилителей зависят от числа каскадов и типа избирательных систем.

104

Полоса пропускания одного каскада УПЧ, построенного из идентичных каскадов, связана с полосой пропускания всего тракта соотношением

где (n) – функция расширения полосы пропускания; П1, П – полоса пропускания одного каскада и всего усилителя соответственно.

Эквивалентное затухание одного контура определяется:

фициенты включения в контур усилительного прибора и входа сле-

В зависимости от типа резонансных систем в нагрузке усилительных каскадов нормированные АЧХ y(f), ФЧХ (f), а также(n), (n) и Kп,отс(n) усилительного тракта определяются выражениями:

для одиночных настроенных контуров

106

Усилители с фиксированной настройкой частоты с сосредоточенной избирательностью строятся на основе сосредоточенных элементов или на ультразвуковых фильтрах. Построение усилителей на сосредоточенных элементах выполняется с использованием катушек индуктивности и конденсаторов, а на ультразвуковых – на электромеханических или пьезокерамических фильтрах. Принцип работы таких фильтров заключается в преобразовании электрических колебаний в механические и обратно. Такой способ фильтрации позволяет уменьшить конструктивные размеры за счет уменьшения длины волны в твердых средах, так как скорость распространения волны в керамике составляет сотни метров в секунду, а не 3 108 м/сек. Эквивалентная схема такого фильтра имеет тот же вид, что и на сосредоточенных элементах. Если нагруженная добротность колебательного контура на сосредоточенных элементах составляет 60 – 80, то в ультразвуковых составляет 400 – 600. Принцип проектирования справедлив так же, как и для усилителей с распределенной избирательностью.

Усилители с фиксированной настройкой частоты, предназначенные для обработки импульсных радиосигналов, имеют свои особенности работы. В таких усилителях наиболее сильно проявляются нестационарные процессы, обусловленные переходными процессами. В таких усилителях искажаются как форма усиливаемых высокочастотных колебаний, так и форма огибающей сигнала. Искажения возникают только в сложных избирательных системах вследствие биений между вынужденными и собственными колебаниями. Величина искажений формы огибающей характеризуется величиной выброса, измеряемой в процентах [1].

Шумовые свойства селективных и апериодических усилителей радиосигналов, особенно усилителей радиочастоты, определяют чувствительность всего радиоприемного устройства. Поэтому при построении радиоприемного устройства необходимо произвести выбор типа усилителя или базового усилительного

107

элемента, выбор типа усилительного прибора, режима его работы и схемы его включения. В диапазоне длинных, средних, коротких длин волн, где шумовые характеристики усилителей не оказывают существенного влияния на чувствительность радиоприемника, чувствительность определяется в основном полосой его пропускания. В диапазоне УКВ и менее длин волн чувствительность определяется шумовыми свойствами входных цепей и входных усилителей.

Выбор усилительного прибора для УРЧ зависит от назначения радиоприемника, условий эксплуатации, диапазона рабочих частот, требований к чувствительности, малосигнальной избирательности, надежности и долговечности работы, экономичности энергопотребления. Следует также учитывать и предполагаемые источники питания [25].

Выбор биполярных транзисторов. При выборе биполярных транзисторов в качестве усилительного прибора необходимо учитывать их свойства, которые отрицательно влияют на характеристики радиоприемника в целом:

большая нелинейность проходной характеристики, ограничивающей возможность обеспечения высокой малосигнальной избирательности;

значительная внутренняя обратная связь, снижающая устойчивость работы усилителя;

большие значения входной и выходной емкостей, ухудшающие избирательность преселектора, и уменьшение коэффициента перекрытия по частоте для радиоприемников диапазонного типа;

сильная зависимость параметров каскада от изменения температуры окружающей среды;

большой разброс параметров транзисторов.

Для обеспечения малого коэффициента шума необходимо выбирать транзисторы с граничной частотой, удовлетворяющей условию

108

где f0max – максимальная рабочая частота радиоприемного устройства.

Значение эквивалентного сопротивления шума определяется соотношением

Для обеспечения устойчивой работы усилителей транзистор

Y

должен иметь высокое значение отношения Y21 , которое вычис-

12

ляется на максимальной частоте рабочего диапазона радиоприемного устройства [25].

Коэффициент шума усилителя практически не зависит от схемы включения транзистора (ОЭ, ОБ). Однако внутренние обратные связи меньше в схеме с ОБ, кроме того, имеет место более равномерное усиление в пределах диапазона рабочих частот. В усилителе каскодного типа в схеме ОЭ-ОБ обратная проводимость значительно меньше, чем в каскаде с ОБ, что обеспечивает устойчивость в ВЧ- и СВЧ-диапазонах. Большой коэффициент передачи позволяет получить более высокую чувствительность.

Для расчета коэффициента шума усилительного каскада по схеме с ОЭ можно воспользоваться выражением (3. 66), а для приближенной оценки коэффициента шума однокаскадного усилителя достаточно использовать выражение, справедливое до частот 4 ГГц [1]

где NТ – справочное значение биполярного транзистора при заданном токе эмиттера.

При выборе типа биполярного транзистора в диапазоне частот до 3 ГГц предпочтение отдается кремниевым транзисторам n- p-n структуры. Это обусловлено большей подвижностью носителей заряда.

Выбор полевых транзисторов. Полевые транзисторы имеют ряд преимуществ по сравнению с полевыми транзисторами [25]:

высокая линейность зависимости крутизны от управляющего напряжения, что позволяет обеспечить малые нелинейные искажения;

меньше коэффициент шума в диапазоне ВЧ с СВЧ;

малые значения входной и выходной проводимостей, входной и выходной емкостей;

малая мощность управляющего напряжения;

большой коэффициент передачи по мощности.

Для обеспечения высокой чувствительности радиоприемного устройства необходимо выбирать полевые транзисторы с малым коэффициентом шума и большим коэффициентом передачи по мощности. Величина шумового сопротивления определяется выражением (3.80), коэффициент шума (см. выше). Использование полевых транзисторов целесообразно на рабочих частотах более 2 ГГц.

Выбор микросхем. При построении структурной схемы радиоприемного устройства наиболее часто используют микроэлектронные элементы, обладающие преимуществами перед усилителями на дискретных элементах (транзисторах, резисторах, конденсаторах и т.д.):

высокий коэффициент передачи;

высокая технологичность изготовления узлов радиоприемного устройства;

малый разброс технических характеристик;

нормированные шумовые характеристики.

110

При расчете коэффициента шума усилителя достаточно использовать выражение

Коэффициент шума многокаскадного усилителя определяется выражением

где N1, N2 ,... – коэффициенты шума первого и последующих

каскадов;

KP1, KP 2 ,... – коэффициенты передачи первого и последую-

щих каскадов.

Для оценки чувствительности радиоприемного устройства достаточно рассчитать коэффициент шума первых двух-трех каскадов усилителя на его входе. Учет влияния входной цепи рассмотрен в разделе 3.2.4.

3.3Преобразователи частоты устройств приема

иобработки сигналов

3.3.1Общие сведения и теория преобразования

Преобразователь частоты – это радиотехническое устройство, осуществляющее процесс переноса спектра радиосигнала из одной области радиочастотного диапазона в другую при сохранении структуры сигнала. В состав преобразователя входят: смеситель, гетеродин и нагрузка для сигнала промежуточной частоты. Процесс преобразования происходит в смесителе (шестиполюснике), содержащем нелинейный элемент, периодически изменяющий один из параметров (рис. 3.24). В качестве таких элементов используют транзисторы, лампы, варикапы и диоды.