книги из ГПНТБ / Радиоприемные устройства учебник

3.9. Устойчивый коэффициент усиления каскадов г с общей сеткой, общим затвором, общей базой

Полная проводимость на входе УП с учетом компенсации реак­ тивных проводимостей blt и Ь21 реактивностью входного контура равна

и ^ 210» ^228 равны: К12б= — Угаэ и К21б « —У21э. Аналогичны соотношения и для каскадов с ОС и 03.

Коэффициент обратной связи на основании выражения (3.92)

в (3.118) действительную и мнимую части, получаем условие устой­ чивости в виде

Для выполнения условия Re (К$) = 1 — К у обобщенная расстройка должна быть положительной. На основания выражения (3.120) можно записать

пи

Подставляя в выражение для Re (/СР) (3.119) значение (3.121) и решая его относительно Кусх = К0 при К у = 0,9, после преобразований получаем

В режиме согласования на входе ga/tnlo) = g 2i и устойчивый коэф­ фициент усиления каскада равен

i : Из сравнения выражений (3.122) и (3.123) видно, что устойчивый коэффициент усиления каскада в режиме согласования на входе в два раза больше, чем при отсутствии согласования. Это объясняется тем, что в режиме согласования во входной цепи полная проводимость на входе УП значительно больше, чем при отсутствии согласования и, следовательно, напряжение на этой проводимости будет меньше.

Для каскада с OCg21 = S, b22 = соСак, соCaK> g aK и

ОБ и 03 так же, как и формулы устойчивого коэффициента усиления каскадов с ОК, ОЭ и ОИ, справедливы и для многокаскадного усили­ теля, если коэффициент усиления каждого каскада не больше Куст-

ЗЛО. Избирательность усилителя

Избирательность супергетеродинного приемника по дополнитель­ ным каналам приема обеспечивает УРЧ. Основными дополнительными каналами приема, как известно, являются:

—прямой канал, частота которого равна / пк = / ш где fa — про­ межуточная частота приемника;

—зеркальный канал, частота которого равна /зк = / с ± 2 / п (знак

и обобщенные расстройки по прямому и зеркальному каналам равны

1.02

Избирательность по прямому и зеркальному каналам в области не­ больших расстроек на основании выражений (3.128), (3.129) равна

Вобласти больших расстроек Д/пк//с и Д/зк//0 (более 10%)

ивыражение (3.125) для избирательности по прямому и зеркальному каналам можно записать в следующем виде:

Наихудшая избирательность по каналу прямого прохождения со­ ответствует частоте поддиапазона, находящейся наиболее близко к / пк = / п. Избирательность по зеркальному каналу ухудшается с по­ вышением частоты поддиапазона, так как с возрастанием частоты рас­ ширяется полоса пропускания каскада. Поэтому наихудшая избира­ тельность по зеркальному каналу соответствует максимальной час­ тоте поддиапазона, на которой обычно ее и определяют.

3.11. Каскодные схемы УРЧ

Каскодом называют схему, содержащую два каскада, у которой выход первого и вход второго каскадов соединены непосредственно.

К наилучшим вариантам каскодных схем относятся следующие: ОК — ОС, ОЭ — ОБ и ОИ — 03, эквивалентные схемы которых приведены на рис. 3.30. Первый каскад имеет входную проводимость, значительно меньшую, чем второй каскад. Это позволяет получить на входе каскодной схемы большее входное напряжение.

Каскодные схемы применяют в первых каскадах УРЧ и УПЧ для уменьшения коэффициента шума приемника.

Каскодная схема на лампах приведена на рис. 3.31. Индуктивность

L0 служит для компенсации проходной емкости Сас (®^о—1/соСас=0), что исключает обратную связь через эту емкость. При этом входная проводимость первой лампы не зависит от нагрузки и через индук-

103

Рис. 3.32

104

тивность Lq протекает катодный ток второй лампы. Питание лампы первого каскада осуществляется через дроссель Бдр.

Транзисторная каскодная схема с последовательным питанием кас­ кадов приведена на рис. 3.32. Она требует увеличения напряжения источника питания. В тех случаях, если нежелательно повышать на­ пряжение источника питания, применяют схему с параллельным пита­ нием каскадов.

В последнее время применяют гибридную каскодную схему, первый

каскад не дает усиления по напряжению, но зато имеет большой коэф­ фициент усиления по мощности.

Коэффициент шума каскодной схемы определяется как N = + 4- (IV2 — 1)/Kpt. Так как К р, > 1, то N « N v

Устойчивость каскодной схемы определяется вторым каскадом, так как первый каскад имеет Koi « 1. Каскады с ОС, ОБ и 03 имеют относительно большой устойчивый коэффициент усиления, что поз­ воляет реализовать большой коэффициент усиления каскодной схемы. Следовательно, каскодную схему можно рассматривать как один кас­ кад с малой внутренней обратной связью, имеющий коэффициент уси­ ления, равный коэффициенту усиления второго каскада, и коэффициент шума, равный коэффициенту шума первого каскада. К недостатку каскодной схемы следует отнести наличие двух УП.

3.12. Нелинейные явления в усилителях радиочастоты

Анализ усилительных схем проводился в предположении, что УП являются линейными устройствами. В действительности характериститики УП могут иметь заметную нелинейность, которая приводит к ис­ кажениям принимаемых сигналов. При воздействии гармонического сигнала на вход усилительного каскада с нелинейной характеристикой

105

выходной ток в цепи резонансной нагрузки (выходной контур) имеет негармонический характер, который можно представить суммой первой и высших гармоник. Из-за того, что выходной контур настроен на ос­ новную частоту сигнала, выходное напряжение каскада UK2 = = / ВЫхх^э2 создается только первой гармоникой тока и является гармоническим. Итак, нелинейные искажения несущих высокочастот­ ных колебаний сигнала, происходящие в усилительном каскаде, устра­

няются за счет его резонансной на­ грузки.

Нелинейность усилительного каскада может вызвать нелинейные искажения модуляции принимаемых сигналов, вто­ ричную модуляцию и перекрестную мо­ дуляцию.

Нелинейные искажения модуляции принимаемых сигналов. Из-за нелиней­ ности УП нарушается пропорциональ­ ная связь амплитуд высокочастотных колебаний на входе и выходе каскада, а это вызывает искажение огибающей кривой выходного напряжения.

Рассмотрим нелинейные искажения каскадов на лампе и полевом транзисторе. Пренебрегая действием нагрузки каскада, будем считать выходной ток нелинейной функцией, зависящей только от входного

Г(Е0) = g'n.

Подставляя в ряд (3.139) значения sin2 сос t = V2 — V2 cos 2 соД,

sin3 a j = 3/4 sin ы>Д + l/4 sin 3<t>J и выделяя члены, содержащие множитель sin соct, получаем ток 1-й гармоники, на которую настроен контур, гВых1 = (g2iUc + V, gl\Ul + •••) sincoc^. Для остальных гармоник контур представляет малое сопротивление и поэтому их можно не учитывать.

Амплитуда тока равна

Это уравнение представляет собой аналитическое выражение колеба­

^^l^cfl+V gfesn/gai) U\\ Rg2- Для отсутствия нелинейных искажений

106

напряжение на выходном контуре Uк2 должно быть пропорционально входному напряжению Uc.

Найдем коэффициент нелинейных искажений. Пусть высокочас­ тотный сигнал будет модулирован частотой F = Й/2я. При этом его амплитуда напряжения равна Uc = U0 (1 -fmsinQ/'). Подставляя значение Uc в выражение (3.140), выделяя токи с частотами Й и 2Й

Следовательно, нелинейные искажения модуляции пропорциональны gsli и квадрату амплитуд несущей частоты U0. Для уменьшения нели­ нейных искажений модуляции необходимо выбрать режим работы УП,

осуществить автоматическую регулировку усиления каскада измене­ нием крутизны УП. При этом нелинейные искажения будут отсутст­ вовать, так как g2\ — d3iBUX/dUl = 0 и v =0. Это происходит из-за того, что в этом случае колебательная характеристика линейна. Подставляя ис = Ucsin(x>ct в полином второй степени, после преобразований получаем

Сых — aQ+ axUо sin (Dct + а2 (U|/2) —

— а2 ((7c/2)cos 2(оct.

Отсюда получаем линейную колебательную характеристику / вы и =

=axUс-

Полевые транзисторы со структурой МОП имеют проходную харак­

теристику, близкую к квадратичной и, следовательно, для HHxg21 ->-0. Поэтому в каскаде на полевом транзисторе со структурой МОП нели­ нейные искажения малы.

Обычно в УРЧ допускают v = l-f-1,5%.

Рассмотренный случай соответствовал гармонической модуляции сигнала частотой F. При модуляции сигнала одновременно частотами Fu F 2... на основании рассмотренного процесса огибающая сигнала на

детектора все эти составляющие огибающей создадут напряжения. Нелинейность характеристики лампы и полевого транзистора воз­

растает при автоматической регулировке усиления, которая сдвигает рабочую точку на характеристике и этим изменяет крутизну УП. Поэ­ тому при автоматической регулировке усиления коэффициент нелиней­ ных искажений изменяется.

В транзисторном каскаде нелинейные искажения при f < f r воз­ никают из-за нелинейности входной / б (Uб) и проходной / „ ( / б) ха­ рактеристик. Нелинейность входной характеристики значительно боль-

107

ше, чем проходной. Поэтому обычно учитывают нелинейные искажен ния, обусловленные входной характеристикой. Для анализа нелиней­ ных искажений используют экспоненциальную аппроксимацию зави­ симости тока базы от напряжения на переходе эмиттер — база. Коэффициент нелинейных искажений транзисторного каскада 19]

Для уменьшения нелинейных искажений в каскадах на лампе и полевом транзисторе следует выбирать режим работы этих УП так, чтобы отношение g2\!g2l было наименьшим, и уменьшать амплитуду напряжения входного сигнала. Для уменьшения нелинейных иска­ жений в каскаде на транзисторе следует уменьшать амплитуду напря­ жения входного сигнала.

Вторичная модуляция. Напряжение пульсации источника пита­ ния с низкой частотой 100—400 Гц может воздействовать'на вход кас­ када и периодически изменять крутизну УП с частотой пульсации. При этом коэффициент усиления каскада будет изменяться с частотой пульсации и этим модулировать усиливаемый сигнал. При отсутствии сигнала напряжение пульсации низкой частоты не усиливается и, сле­ довательно, не попадает на вход детектора и на выходе приемника не будут прослушиваться пульсации питающего напряжения (фон). Поэ­ тому создается впечатление, что этот фон образуется в передатчике.

Будем считать, что принимаемый сигнал имеет полезную ампли­ тудную модуляцию, которую создает передатчик, с частотой F — Q/2л. При этом амплитуда напряжения изменяется во времени по закону Uc = U0 (1 -f- m cosQ /), где т — коэффициент модуляции. Под действием низкочастотного напряжения крутизна УП меняется во

жения. Коэффициент усиления каскада изменяется по такому же за­ кону К о = К0 (1 + mgll cosOH0Амплитуда выходного напряжения высокой частоты равна (/вых = K'UC. Подставляя сюда значения

На выходе детектора возникнут напряжения с частотами F, Fн и комбинационные напряжения с частотами F — FH и F„ — F. Напри­ мер, если полезная модуляция имеет частоту F — 1000 Гц, а вредное модулирующее напряжение имеет частоту 100 Гц, то на выходе де­ тектора возникнут напряжения с частотами 1000, 100, 900 и 1100 Гц.

108

Две последние составляющие вызовут наибольшее искажение при­ нимаемого сигнала.

Для количественной оценки вторичной модуляции служит коэф­ фициент вторичной модуляции

Из формулы (3.143) видно, что искажения сигнала, вызванные вторич­ ной модуляцией, не зависят от амплитуды напряжения сигнала, а за­ висят только от амплитуды напряжения низкой частоты, под действием которой изменяется крутизна УП."Чтобы ослабить вторичную моду­ ляцию, следует уменьшить коэффициент модуляции крутизны mgu уменьшением вредного низкочастотного напряжения на входе УП и выбором рабочей точки УП на участке характеристики с наименьшей нелинейностью.

В транзисторном каскаде вторичная модуляция резче выражена, чем в каскаде на лампе и полевом транзисторе из-за большей нелиней­ ности транзистора, которая проявляется при меньших входных на­ пряжениях.

Перекрестная модуляция. При настройке приемника на частоту полезного сигнала / с на входе детектора будет напряжение этого сиг­ нала. Если входная цепь и каскады, предшествующие рассматривае­ мому каскаду, имеют низкую избирательность, то на входе этого каскада может действовать сильное мешающее напряжение другого амплитудно-модулированного сигнала, имеющего несущую частоту /м Ф /с- Если частоты / м и / с значительно отличаются друг от друга, то избирательные каскады не пропускают мешающий сигнал к детек­ тору. Однако из-за нелинейности характеристики УП каскада полез­ ный сигнал может быть промодулирован мешающим сигналом. При этом модуляция мешающего сигнала переходит на колебания несущей полезного сигнала и поэтому последующие каскады пропускают этот сигнал с двойной амплитудной модуляцией на вход детектора. Это проявляется в том, что передача мешающей станции слышна при на­ стройке приемника на частоту принимаемого сигнала / 0 =/=/м. При рас­ стройке же приемника или при прекращении работы станции полез­ ного сигнала сигнал мешающей станции не прослушивается.

Перекрестная модуляция получается, поскольку коэффициент уси­ ления полезного сигнала в каскаде, имеющем УП с нелинейной харак­ теристикой, изменяется во времени и зависит от амплитуды напряже­ ния мешающего сигнала, а это приводит к тому, что в каскаде проис­ ходит амплитудная модуляция принимаемого сигнала мешающим.

Рассмотрим перекрестную модуляцию в каскадах на лампе и поле­ вом транзисторе. Переменное напряжение на входе каскада склады­ вается из напряжений полезного и мешающего сигналов, т. е,

и = Ucc (1 + mc sin fic0sin (oct + Uо„ (1 + + т м sin Q„0 sin сом/,

109