Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги из ГПНТБ / Радиоприемные устройства учебник

..pdf
Скачиваний:
156
Добавлен:
23.10.2023
Размер:
24.75 Mб
Скачать

В соответствии с определением (1.8) и выражением (1.9) коэф­ фициент шума N четырехполюсника получаем равным

N =

Рш ВыХ/Рш вхКя = I/ К р ,

(2.82)

и поскольку Кр < 1,

то N > 1.

 

Полученное выражение можно использовать для оценки шумовых свойств не только фидера, но и других пассивных элементов — цир­ куляторов, вентилей, ответвителей мощности —вспомогательных эле­ ментов входного тракта СВЧ приемников. При неодинаковых темпе­ ратурах сопротивлений источника сигнала и четырехполюсника (2.82)

принимает вид N = (Т/Тс) (1/Кр).

=

Крф,

получаем

 

Полагая в (1.19) Л/, =

/Уф и Кр,

 

 

 

\

 

2

/

(283)

 

 

 

 

где

Крф — коэффициент

передачи

фидера.

 

Если представить радиоприемник в виде схемы, приведенной на

рис.

2.15, б, то, используя выражения

(1.22) и (1.23), для резуль­

тирующей шумовой температуры, приведенной ко входу первого каскада, можно получить следующее выражение:

 

Ттаа ~

7\Лф +

(1 ~ Лф)?" +

Тпр1,

(2.84)

где т]ф — коэффициент

полезного

действия

фидера

(г]ф =з Крф)\

T’npi-'-

шумовая температура

приемника,

приведенная к зажи­

мам аа.

уменьшения шума цепей,

предшествующих первому каскаду,

Для

т. е. шумящему пассивному четырехполюснику (фидер и другие пас­ сивные элементы с потерями), необходимо уменьшать потери энергии в этих цепях.

Список литературы 1

1.

М а р к о в Г. Т.

Антенны. М., Госэнергоиздат, 1960.

2.

К у л и к о в с к и й

А. А. Линейные каскады радиоприемников. М., Госэнер­

3.

гоиздат, 1958.

Л е б е д е в В. Л., С и ф о р о в

В. И. Радиоприемные

Г у т к и н Л. С.,

4.

устройства, ч. 1. М., «Сов. радио», 1961.

 

Изд. МЭИ, 1970.

С а з о н о в Д. М.,

Г р а д и н А. Н. Техника СВЧ.

5.

К р о х и н В. В. Элементы радиоприемных устройств СВЧ. М., «Сов. радио»,

 

1964.

 

В. Боброва М., «Сов. радио», 1971.

6 . «Радиоприемные устройства». Под ред. Н.

 

Авт.: Н. В. Бобров,

Г. В. Максимов, В. И.

Мичурин,

Д. П. Николаев.

60

3. Усилители радиочастоты

3.1. Общие сведения

Каскад УРЧ состоит из усилительного прибора (УП) и резонансной нагрузки (резонансного контура) (рис. 3.1, а). В качестве усилитель­ ных приборов могут быть использованы: электронная лампа, транзис­ тор, полевой транзистор. Нагрузкой каскада является входное сопро­ тивление следующего каскада.

Применение резонансного контура необходимо для получения час­ тотной избирательности и повышения коэффициента усиления кас­ када. При настройке нагрузки в резонанс на частоте сигнала компен-

Рис. 3.1

сируется вредное влияние распределенной емкости каскада и зна­ чительно увеличивается усиление по сравнению с усилением при не­ резонансной нагрузке. Частотная характеристика каскада приведена на рис. 3.1, б. Она соответствует частотной характеристике контура, который шунтируется сопротивлениями схемы.

Выходное сопротивление усилительного каскада и входное со­ противление следующего каскада шунтируют контур, а это увеличи­ вает его затухание, расширяет полосу пропускания и уменьшает ре­ зонансное сопротивление, что снижает коэффициент усиления каскада. Поэтому связь контура с УП и входом следующего каскада выбирают из условия допустимого увеличения затухания.

Все УП имеют внутреннюю обратную связь, которая наименьшая у ламп. Поэтому величина связи УП с контуром влияет на устойчи­ вость работы каскада. При сильной связи увеличивается коэффициент усиления каскада, что может привести к генерации (самовозбуждению). Следовательно, связь УП с контуром выбирается из двух условий: получения допустимого увеличения затухания контура и обеспечения устойчивой работы каскада.

Лампы и полевые транзисторы имеют относительно большие входное и выходное сопротивления, но связь их с контуром выбирают относи­ тельно небольшой для выполнения условия устойчивой работы кас­ када.

61

Транзисторы имеют относительно малые входное и выходное со­ противления и значительную внутреннюю обратную связь. Поэтому применяют слабую связь с контуром со стороны выхода транзистора и входа следующего каскада.

Для упрощения схемы приемника каскады УРЧ выполняют с од­ ним контуром, а их число не превышает трех-четырех.

УРЧ должен:

усиливать полезный сигнал,

снижать коэффициент шума приемника и тем самым повышать его чувствительность,

обеспечивать избирательность по зеркальному каналу.

Коэффициент шума приемника в основном определяется шумом первых каскадов. Поэтому стараются выполнить каскады УРЧ с малым коэффициентом шума.

УРЧ на лампах и транзисторах применяют на частотах до 1000 МГц. На частотах выше 1000 МГц усилительные свойства ламп и транзисторов ухудшаются и значительно возрастает коэффициент шума. Полевые транзисторы применяют на частотах до 150 МГц.

В большинстве случаев УРЧ работают в диапазоне частот и реже на одной фиксированной частоте.

Рассмотрим основные электрические характеристики УРЧ. Р е з о н а н с н ы й к о э ф ф и ц и е н т у с и л е н и я

(3.1)

где Uвх, £/вых — напряжение на входе и выходе каскада при ре­ зонансе.

Качество каскада тем лучше, чем больше коэффициент усиления и чем он меньше изменяется в диапазоне частот. Для получения боль­ шого коэффициента усиления УРЧ применяют несколько последова­ тельно включенных каскадов. Коэффициент усиления УРЧ

Коу — К”»

(3-2)

где п — число каскадов.

В дециметровом и сантиметровом диапазонах волн величину сиг­ нала обычно измеряют в единицах мощности. Поэтому свойства УРЧ

в этих диапазонах оценивают

к о э ф ф и ц и е н т о м

у с и л е н и я

(передачи)

п о м о щ н о с т и ,

т. е. отношением выходной мощности

каскада

к

входной:

 

 

 

 

Кр Р вых/Р вх*

(3.3)

Между

К 0

и К р существует следующая связь:

 

(3.4)

63

где §вх входная проводимость каскада; gH— проводимость на­ грузки, которая равна входной проводимости следующего каскада

8 » — g вх 2-

И з б и р а т е л ь н о с т ь п о з е р к а л ь н о м у к а н а л у показывает, во сколько раз резонансный коэффициент усиления каскада К0 больше коэффициента усиления К на частоте зеркального канала:

S*3K = Ко/К.

(3.5)

Избирательность по зеркальному каналу определяется резонансной кривой каскада.

Обычно избирательность по зеркальному каналу

выражают в де­

цибелах:

 

 

(^зк)дБ

20 lg 5езк.

(3.6)

Избирательность по зеркальному каналу должна обеспечиваться при

требуемой полосе пропускания ГГ, которая

обычно определяется на

уровне к0 = К1К0 — 1/]/2 « 0,7

(рис. 3.1,6).

Избирательность по зеркальному каналу

n-каскадного усилителя

равна

 

 

*-^зк у

5 е зк,

( 3 . 7 )

зк у)дь = п ( 5 е зк) ДБ .

( 3 . 8 )

Д и а п а з о н р а б о ч и х

ч а с т о т

считается перекрытым,

если при настройке УРЧ на любую частоту диапазона его характе­ ристики изменяются в допустимых пределах.

К о э ф ф и ц и е н т ш у м а

характеризует шумовые свойства

УРЧ. Чем меньше коэффициент

шума, тем выше чувствительность

приемника.

 

Л и н е й н ы е и с к а ж е н и я . Амплитудно-частотные искаже­ ния определяются частотной характеристикой усилителя. Фазо-час­ тотные искажения зависят от нелинейности фазовой характеристики усилителя.

Н е л и н е й н ы е и с к а ж е н и я обусловлены нелинейностью

амплитудной характеристики усилителя.

Чем меньше амплитуда

сигнала, тем они меньше.

отсутствием самовозбуж­

У с т о й ч и в о с т ь характеризуется

дения и изменением в допустимых пределах характеристик в процессе нормальной эксплуатации.

Д и н а м и ч е с к и й д и а п а з о н — это отношение макси­ мальной амплитуды входного сигнала UBXмакс, при которой искаже­ ния сигнала допустимы, к (Увх, соответствующему чувствительности приемника:

Дувч = 20 lg Ь х м а к с . = Ю lg ^ и м а к о . ^

(3.9)

Obx

Р вх

Кроме того, УРЧ должен потреблять малую мощность от источ­ ника питания, быть механически прочным, иметь небольшие габариты

и вес, стоимость и т. п.

УРЧ классифицируют по следующим признакам:

по способу включения нагрузки к УП,

по виду связи УП с контуром,

-по виду связи входа следующего каскада с контуром.

При различном включении нагрузки к УП получаются разные общие точки для входа и выхода и, следовательно, разные схемы кас­ кадов: с общим катодом, с общим эмиттером и т. п.

В большинстве случаев УРЧ работают в диапазоне частот /од М1Ш— /од маис, который разбивают на поддиапазоны, а в некоторых случаях

1.

г

j

 

Поддиапазоны

 

 

Рис.

3.2

на одной или нескольких фиксированных частотах. Настраивать контур можно изменением его индуктивности или емкости. При из­ менении индуктивности контура резко изменяется с частотой его за­ тухание, полоса пропускания и резонансное сопротивление. Поэтому контур настраивают изменением емкости. Диапазон частот приемника /од мин—/од макс с коэффициентом перекрытия диапазона Кд = = /оЯмакс//од мин разбивают на поддипазоны с коэффициентом перекры­

тия поддиапазона Кдд —/о макс^/о мин> где /о мин к /о макс крайние частоты поддиапазона. Смену поддиапазонов осуществляют переключе­ нием катушек индуктивности, а настройку внутри поддиапазона про­ изводят конденсатором переменной емкости Ск (рис. 3.2). Фиксиро­ ванные частоты обеспечивают включением контуров, настроенных на заранее выбранные частоты.

Для выравнивания начальной емкости контуров и подгонки их индуктивности при регулировке приемника в заводских условиях, что необходимо при одноручечной настройке приемника, параллельно

каждой катушке включают

подстроечный конденсатор Сп, а катушки

выполняют с сердечником из магнитодиэлектрика или латуни.

 

В зависимости

от

рабочего

диапазона частот применяют различные резо­

нансные системы [3,

6,

12].

 

 

1. ) < 300

МГц

(километровый — метровый диапазоны) — контуры с со­

средоточенными

параметрами.

Параметры контура: dK > 0,01, /Спд <

3.

2. f > 300 МГц,

возможно применение контуров с сосредоточенными

пара­

метрами в микроисполнзнии,

 

 

64

3. f = 300 ~ 3000 МГц (дециметровый диапазон) — резонансные линии: коаксиальные, полосковые симметричные и несимметричные. Параметры ре­

зонансных линий:

Qjj < 1000,

Кпд ^ 4.

диапазон) — объемные резона­

4. I = 3000

30 000 МГц (сантиметровый

торы. Параметры объемных резонаторов: Qp ss

10 000, КПд < 3.

 

При анализе и расчете каскада с резонансной линией она заменяется экви­

валентным контуром с сосредоточенными параметрами.

 

Контур, настраиваемый емкостью, которая изменяется от Ск шш до Ск макс,

имеет коэффициент поддиапазона

 

 

д

_/о маис _

L (Ск МНн

Сп ~ЬС(.х))~ 1

 

 

to мин

(2n"j/ L (Ск маис + СП-1- fc х)J ~1

 

 

 

Ск макс ~Ь Сп 4~ Сех

(3.10)

 

 

 

 

 

 

С к М И Н + С п + С е х

 

Коэффициент поддиапазона тем больше, чем больше отношение Скмакс/Скмив и меньше емкости схемы Сох и подстроечного конденсатора Сп.

 

Обычно выполняют контуры с коэффициентом

перекрытия

поддиапазона

 

 

^ п д —to максi t о мин — 1 +

а д /fo

мин < 3,

(З.П )

где

Л/пд = to макс

1?о'мин — полоса частот

поддиапазона, нанесенная на шка­

лу

приемника.

увеличивается полоса частот поддиапазона,

что затрудняет

 

При Кпд > 3

настройку приемника на станции, и значительно изменяются параметры контура в поддиапазоне.

Решая выражение (3.10) относительно Са, получаем

Сп =

Ск макс — К*

Ск мин

(3.12)

----------77^

j----------- С сх.

^пд

*

 

Определить точно емкость схемы затруднительно, и поэтому считают Са средней емкостью подстроечного конденсатора.

Полные максимальные емкости контура равны:

Сц макс "Ь Сп + С сх — [(2 я )2 L f y

мин]- 1 »

Ск мин ^ С п + Ссх = [(2я)2 L f f i

макс]-1 •

Вычитая из первого уравнения второе и

затем деля числитель на /"о мин, нахо­

дим индуктивность контура, работающего

в заданном поддиапазоне частот,

1 = ________ ^ПД — 1_________

(3.13)

(2л )2 (Ск макс С к мин) f 0 мака

 

Затухание контура dK = rKlu>0L в поддиапазоне частот можно считать прибли­ зительно постоянным из-за того, что с увеличением частоты почти пропорцио­ нально увеличивается активное сопротивление потерь катушки гк. Поэтому по­ лоса пропускания контура, равная П = dKfo. и его резонансное сопротивление

RB =>

l/gK = сооС/йк с повышением частоты возрастают [12, 6].

Для удобства настройки приемника на станции в диапазонах декаметровых

(КВ)

и метровых (УКВ) волн применяют растянутые поддиапазоны с Кпд <

< 1,1

или полурастяиутые с /Спд > 1,1-

В радиовещательных приемниках применяют один и тот же блок перемен­ ных конденсаторов для километровых, гектометровых и декаметровых волн. На декаметровых волнах для получения растянутых или полурастянутых поддиа­ пазонов включают параллельно и последовательно конденсатору переменной емкости добавочные конденсаторы, которые увеличивают его начальную емкость

3 Зак. 304

^

и уменьшают максимальную емкость, что согласно формуле (3.10) уменьшает

Кпд-На метровых волнах контуры настраивают варикапом (.диод, емкость ко­ торого изменяется в широких пределах при изменении приложенного к нему на­ пряжения).

 

При анализе усилительных каскадов контур удобнее

представлять эквива­

лентной схемой, состоящей из параллельного соединения

L, Ск и gK (рис. 3.3).

Резонансная проводимость контура gK определяется сопротивлением

потерь

в

катушке

гк, которое пересчитывается параллельно

индуктивности:

gK =>

=

1/Rk =

гк/юо^-2 = W odta = ®0CKdK, где dK = (о0СкГк — собственное затуха­

ние контура.

Рис. 3.4

Если в контуре имеется катушка связи, отвод от индуктивной или емкост­ ной ветви, то он обладает трансформирующим действием. Такой контур можно представить четырехполюсником (рис. 3.4) Коэффициенты трансформации для схем, приведенных на рис. 3.4, ав, соответственно равны

 

т =

UJU2 =

и г/ и к ж M/L <

1,

(3.14)

где

М — взаимоиндуктивность между катушками

Lcв и L,

 

 

т =

UJUk ~

(L' + M)IL <

 

1,

 

(3.15)

где

М — взаимоиндуктивность между верхней

и

нижней частями

катушки;

L' — индуктивность нижней

части катушки,

 

 

 

 

 

 

т =

U1/UKж С*/(С, +

С2) <

1.

(3.16)

Выражение (3.14) справедливо при coLCB gi С

1.

При большом числе витков ка­

тушки N формулу (3.15)

можно записать как m = N '/N,

где N' —число, витков в

нижней части катушки.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пересчитанные параллельно контуру активная проводимость и емкость,

как известно [6, 12], равны

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

g'

=

m2g,

 

 

 

 

(3.17)

 

 

 

С'

=

т2С.

 

 

 

 

(3.18)

Резонансная линия обладает также трансформирующим свойством при на­ личии петли связи или отвода [6, 12].

66

3.2. Схемы каскадов усилителей радиочастоты

Различные включения нагрузки (резонансного контура) УП при­ водят к разным схемам каскадов. При включении нагрузки УП между анодом и катодом лампы, коллектором и эмиттером транзистора и стоком и истоком полевого транзистора (рис. 3.5, а) получаются следующие схемы каскадов, обладающие общими свойствами:

с общим катодом (ОК);

с общим эмиттером (ОЭ),

с общим истоком (ОИ).

При включении нагрузки УП между анодом и сеткой лампы, кол­ лектором и базой транзистора и стоком и затвором полевого транзисто­ ра получаются следующие схемы каскадов, обладающие общими свой­ ствами:

с общей сеткой (ОС),

с общей базой (ОБ),

с общим затвором (03).

Вэтих схемах общей точкой для входа и выхода являются соот­ ветственно: катод, эмиттер, исток, сетка, база и затвор. Отсюда схемы

иполучили названия: ОК, ОЭ и т. д.

Схемы каскадов с общим анодом, общим коллектором и общим сто­ ком не применяют из-за малого усиления и неустойчивой работы, вызванной внутренней положительной обратной связью.

Связь УП и входа следующего каскада с контуром может быть: трансформаторная, автотрансформаторная и непосредственная. Наи­ более часто применяют трансформаторную и автотрансформаторную связь УП и входа следующего каскада с контуром. Лампы имеют большое входное сопротивление. Поэтому вход лампы на километро­ вых, гектометровых, декаметровых и метровых волнах имеет обычно непосредственную связь с контуром.

3*

67

На частотах f < 50 МГц применяют пентоды в схеме с общим катодом. Для уменьшения коэффициента шума приемника на частотах / < 1000 МГц применяют триоды в схеме с общей сеткой.

Транзисторы используют на частотах / < 1000 МГц в схемах с общим эмиттером и общей базой. Последнюю схему применяют на более высоких частотах, а первую — на низших частотах.

Полевые транзисторы применяют на частотах / < 1 5 0 МГц в схеме с общим истоком.

Рассмотрим схемы каскадов. Схема каскада с ОК и непосредст­ венным включением контура к лампе и входу следующего каскада при­ ведена на рис. 3.6, а. Эта схема с последовательным питанием анодной

цепи лампы. Исходное напряжение смещения

Е с создается резисто­

ром R KT за счет падения напряжения на нем,

которое вызвано катод­

ным током лампы, т. е. | £ с | = / к^кт* Для исключения отрицательной обратной связи по току резистор шунтируется конденсатором Снт.

68

Питание экранирующей сетки лампы производится либо через

га­

сящий резистор R 3K, либо через потенциометр R3K и R 9K1.

 

В первом случае напряжение на экранирующей сетке равно Е э =

= Е п J 3R 3 к, где Е п — напряжение источника питания, / э — ток

экранирующей сетки. При увеличении по абсолютной величине

Е 0

уменьшается ток / э, что вызывает увеличение напряжения Е э, а это увеличивает крутизну лампы, т. е. коэффициент усиления каскада. Поэтому регулировка усиления каскада напряжением Е 0 будет мало эффективна, так как увеличение | Е с | будет снижать крутизну лампы, а увеличение Е а — повышать крутизну. От этого недостатка свобод­ на схема питания экранирующей сетки через потенциометр. Если ток потенциометра / п01> / э. то изменение Е с вызывает небольшое из­ менение Е ь. В большинстве случаев применяют питание экраниру­ ющей сетки через гасящий резистор, так как потенциометр потребляет значительную мощность от источника питания.

Для исключения паразитной обратной связи через источник пита­ ния в анодную цепь лампы включают фильтр Сф, /?ф.

Конденсатор

Ср ^ Ю С кма1!0 является разделительным. Резистор

R о служит для

подачи напряжения смещения на сетку лампы сле­

дующего каскада.

Каскад с непосредственным включением контура имеет большое усиление, что в большинстве случаев приводит к неустойчивой работе. Поэтому схему каскада с непосредственным включением контура при­ меняют редко.

Схема каскада с ОК при трансформаторном включении контура к лампе и непосредственном включении входа следующего каскада приведена на рис. 3.6, б. В этой схеме цепи питания аналогичны цепям питания предыдущей схемы. Связь лампы с контуром выбирают из условий получения устойчивого усиления. Вход следующего каскада может иметь непосредственную или автотрансформаторную связь.

Схема каскада с ОК и двойным автотрансформаторным включе­ нием контура со стороны лампы и входа следующего каскада приведена на рис. 3.6, в. В этой схеме конденсатор переменной емкости находится

под

анодным напряжением. Конденсатор Ср является

разделитель­

ным.

Коэффициенты трансформации в схеме равны

 

 

т1

U Uв <7 1,

(3.19)

 

~

U вых / U r

1*

(3.20)

В рассмотренных схемах используют последовательное питание анодной цепи лампы. Их применяют в диапазонах километровых,

гектометровых и метровых волн.

Схема каскада с ОС и двойным автотрансформаторным включением контура приведена на рис. 3.7. Эта схема имеет параллельное питание анодной цепи лампы. Индуктивность дросселя берется намного боль­ ше индуктивности контура. Коэффициенты трансформации в схеме равны

М-1 -— U J U K <7 1, /71% U BhlJ U к <С К

(3.21)

69

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ