2. Теоретические сведения
2.1. Активные элементы в каскадах приемопередатчиков. Определение понятия «активный элемент». Эквивалентные схемы биполярных и полевых транзисторов. Характеристики и основные параметры транзисторов.
Активным называется элемент, содержащий в своей структуре источник электрической энергии.
Активный элемент (АЭ) усилителя предназначен для преобразования
энергии постоянного электрического поля в электромагнитную энергию. В
результате такого преобразования в усилителе происходит увеличение мощности
колебаний, подводимых к его входу.
Преобразование энергий осуществляется с помощью движения потока электронов и периодического изменения его плотности.
Таким образом, одна из задач АЭ – преобразование постоянного тока, созданного источником питания, в переменный.
Это транзисторы, генераторные диоды, вакуумные приборы СВЧ – магнетроны, клистроны, лампы бегущей волны и другие.
Наиболее распространенным активным элементом усилителей мощности СВЧ является биполярный транзистор.
Основным параметром транзистора, определяющим его активные свойства, является крутизна линейной части статической переходной характеристики, или просто крутизна транзистора.
Простейшей
моделью транзистора, удобной для
инженерных применений, является
эквивалентная схема на элементах с
сосредоточенными параметрами.
2.2. Линейные и нелинейные устройства в приемопередатчиках (определение). Две основные особенности нелинейных устройств по сравнению с линейными. Достоинства и недостатки линейных и нелинейных устройств.
Радиотехнические устройства бывают линейными и нелинейными. Линейное
устройство состоит только из линейных элементов (или может содержать
нелинейные элементы, работающие в режиме малых амплитуд колебаний). Если в
устройстве имеется хотя бы один нелинейный элемент и амплитуду колебаний
нельзя считать малой, то устройство является нелинейным.
Нелинейное устройство имеет две особенности, отличающие его от линейного:
1) на выходе нелинейного устройства могут быть колебания тех частот, которых не было на входе.
2) численные значения параметров нелинейных устройств зависят от амплитуды (или мощности) входных колебаний.
П.С. В лекциях/книгах нету ничего про достоинства/недостатки линейных и нелинейных устройств (что правильно, они слишком разные для сравнения). Я думаю можно что то придумать из этих двух свойств, что нелинейные устройства вносят всякие искажения, гармоники и т.п. из-за чего такие устройства сложно проектировать и считать, однако с другой стороны на только чисто линейных элементах особо ничего полезного не спроектировать…
2.3. Квадратурное представление радиосигнала.
Модулированные колебания несущей частоты, в общем случае, имеют амплитуду и начальную фазу, зависящие от времени. Напряжение радиосигнала:
или, представляя из комплексной записи.
Так же, как и при гармонических колебаниях, вместо мгновенного значения высокочастотного напряжения, используют комплексную амплитуду:
ее называют «комплексной огибающей радиосигнала».
.
Далее мгновенное напряжение радиосигнала можно представить в виде:
Где
комплексную огибающую можно представить
в алгебраической форме:
Подставляя эти три выражение в мгновенное напряжение радиосигнала получаем:
Напряжение радиосигнала можно представить в виде проекции на горизонтальную ось вектора, вращающегося с угловой скоростью ωн, Это, так называемое, “векторное представление радиосигнала.”
В другом варианте, радиосигнал - сумма двух гармоник, колеблющихся с фазовым сдвигом 90 градусов и информация в которых заключена в изменениях их амплитуд
I(t) и -Q(t) – квадратурное представление радиосигнала.
2.4. Шумы в каскадах приемопередатчиков. Шумовое напряжение резистора, мощность шума резистора, согласованного с последующим каскадом. Коэффициент шума и шумовая температура усилителя. Коэффициент шума усилителя, приведенный к его входу. Коэффициент шума пассивных четырехполюсников. Шум каскадного соединения радиоустройств.
Напряжение теплового шума (напряжение шума резистора) – шум, обусловленный тепловым движением носителей заряда в проводнике, в результате чего на концах проводника возникает флуктуирующая (быстро меняющаяся) разность потенциалов. Обычно обозначают как среднее.
Напряжение теплового шума - зависит только от сопротивления проводника R и его абсолютной температуры Т:
То есть, напряжение шума резистора равна Vn = sqrt(4*k*T*R*Δf). Если есть тепловое напряжение на концах проводника, значит там может течь электрический ток, а значит есть определенная мощность шума. Обычно рассматривают спектральную плотность шума:
где k — постоянная Больцмана, T — абсолютная температура проводника, R — активное сопротивление проводника,h — постоянная Планка, f — частота.
В области частот, для которой выполняется неравенство hf/KT << 1, спектральную плотность можно считать постоянной и не зависящей от частоты:
Поэтому тепловой шум можно рассматривать в широком диапазоне частот как белый шум вплоть до частоты порядка:
При
комнатной температуре (300 К (T0)):
Коэффициент шума
усилителя - количественная
характеристика, показывающая на сколько
уменьшилось соотношение сигнал/шум
после прохождения через усилитель, или
простыми словами, сколько шума добавил
сам усилитель к сигналу.
Коэффициент
шума усилителя выражается через отношение
SNR на входе и SNR на выходе усилителя:
Для
идеального усилителя шум-фактор
Fш= 1.
Коэффициент шума иногда удобно выражать в логарифмической форме, в децибелах:
.
Так
как шум добавленный усилителем, так же
можно считать равномерным, его можно
представить в виде идеального усилителя
и резистора с определенной температурой.
И это выражение выглядит так:
(NF (Noise Factor) = Fш (шум-фактор) ).
Усилитель мощности (УМ) – это четырехполюсник, на вход которого
поступают электромагнитные колебания частоты f мощностью Pвх, а на выходе
мощность колебаний Pвых > Pвх при сохранении частоты.
Потому коэффициент мощности усилителя и четырехполюсника считаются одинаково.
Если каскадов усиления много, то общая температура считается следующим образом:
Кр1,
Кр2, … – номинальные коэффициенты
усиления предыдущих каскадов (T2/K1).
(В лекциях и книгах ничего толком нету, я ищу это по другим статьям, других профессоров, устал уже).