книги из ГПНТБ / Симонов Ю.Л. Усилители промежуточной частоты

КАЧЕСТВЕННЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ,

СТРУКТУРА И КЛАССИФИКАЦИЯ

УСИЛИТЕЛЕЙ ПРОМЕЖУТОЧНОЙ ЧАСТОТЫ

М . ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЕ ЗАМЕЧАНИЯ

Эксплуатационные свойства радиоприемного устрой­ ства существенно зависят от свойств его УПЧ. Полная опенка УПЧ может быть выполнена только при совме­ стном учете всего комплекса его качественных показа­ телей, основными из которых являются:

—номинальная промежуточная частота,

—степень усиления полезного сигнала,

—полоса пропускаемых частот,

—частотная избирательность,

—стационарность качественных показателей. Помимо перечисленных часто используются другие

показатели, которые в зависимости от задач, выполняе­ мых радиоприемным устройством, могут приобретать су­ щественное значение. К, ним относят: степень неравно­ мерности резонансной кривой, коэффициент шума, габа­ риты, вес, стоимость и др.

1.2.КАЧЕСТВЕННЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ УПЧ

1.Номинальная промежуточная частота /0* В узко­ полосных УПЧ частота f0 соответствует резонансной ча­ стоте настройки контуров каскадов и частот называется резонансной. В широкополосных усилителях частоте /о

соответствует средняя частота полосы пропускания. И в том и в другом случае ее величина зависит от на­ значения приемника и выбирается в пределах от 100 кгц до 200 Мгц.

2. Степень усиления полезного сигнала. Степень уси­ ления полезного сигнала УПЧ принято характеризовать коэффициентами усиления по напряжению Кп, току или мощности Мп; индекс п здесь обозначает число кас­

кадов УПЧ. В книге наиболее часто используется коэф­

11

фициент усиления по напряжению, равный отношению амплитуды напряжения сигнала на нагрузке усилителя «вых к амплитуде входного напряжения сигнала ивх на входных зажимах первого каскада:

В теории УПЧ широко применяется понятие комплексно­ го коэффициента усиления по напряжению, равного от­ ношению комплексных амплитуд напряжений на выходе и входе усилителя:

где К п — модуль коэффициента усиления; ср„ — фазовый сдвиг, возникающий при прохождении сигнала через УПЧ.

Коэффициент усиления по напряжению измеряют на номинальной промежуточной частоте. При этом он обо­ значается как Коп- Величина Коп имеет порядок ІО3—10е. Величины Кп и фп существенно зависят от частоты f.

нием фазовой характеристики.

В транзисторных УПЧ с последовательным включе­ нием входной цепи транзистора в колебательный контур удобно вместо коэффициента усиления по напряжению пользоваться понятием коэффициента усиления по току

12

Уравнениярезонансной и фазовой характеристик очень часто записывают не как функции частоты, а в виде

функций относительной у или обобщенной х расстроек, причем

а у специальных приемников достигает десятков мегагерц. Подавляющее большинство схем УПЧ относится к катего­ рии минимально-фазовых цепей и обладает однозначной взаимосвязью резонансной, фазовой и переходной ха­

13

рактеристик. Это позволяет предъявлять требования только к одной из них, если есть уверенность, что при этом остальные характеристики будут отвечать соответ­ ствующим техническим условиям. Наиболее удобно ха­ рактеризовать качество УПЧ формой резонансной кри­ вой, т. е. ее равномерностью в пределах полосы пропу­ скания и шириной полосы пропускания.

4. Частотная избирательность. Под частотной изби­ рательностью понимают способность УПЧ отделять по­ лезный сигнал от мешающих сигналов. Требование к из­ бирательности существенно лишь при действии таких помех, мощность которых в основном распределена за пределами полосы пропускания. Если мощность помехи сосредоточена в узкой полосе частот (на одной частоте), то УПЧ должен обладать достаточно высокими частот­ но-избирательными свойствами по отношению к этой помехе. В диапазоне метровых-сантиметровых волн основными являются шумовые помехи, имеющие непре­ рывный равномерный спектр. Действие такой помехи на приемник в основном определяется мощностью той части ее спектра, которая укладывается в полосу пропускания УПЧ. При этом более или менее крутой спад боковых ветвей резонансной кривой почти не имеет значения. По этой причине в приемниках указанного диапазона к УПЧ предъявляется лишь требование достаточно боль­ шого усиления при заданной полосе пропускания.

Различают два вида избирательности — линейную и эффективную. Линейная избирательность предполагает наличие таких входных сигналов помех, уровень которых не вызывает перекрестные искажения в каскадах УПЧ. Эффективная избирательность УПЧ—это его способность отделять полезный сигнал на номинальной промежуточ­ ной частоте от сигналов, помех, уровень которых доста­ точен для того, чтобы вызвать перекрестные искажения в каскадах усилителя. УПЧ может иметь высокую ли­ нейную избирательность, но невысокую эффективную. В многокаскадных УПЧ, у которых каждый каскад обу­ словливает определенную долю избирательности, общая линейная избирательность может быть высокой. В то же время избирательность каждого каскада, например пер­ вого, невелика. Первый каскад может усилить сигнал помехи до уровня, при котором во втором каскаде возникают перекрестные искажения. Эффективная изби­ рательность определяется главным образом свойствами

14

межкаскадной цепи, включаемой между преобразовате­ лем частоты и первым каскадом УПЧ. Линейная изби­ рательность УПЧ оценивается по его резонансной кри­ вой двумя способами.

Избирательностью

°п— К п І К п = У 0п/J an,

где ап — значение модуля коэффициента усиления на частоте /0, на которой оценивается избирательность;

ап — безразмерная величина, являющаяся функцией ча­ стоты и показывающая, во сколько раз усилитель ослаб­ ляет сигнал помехи на частоте /„ (кривая избиратель­

ности рис. 1.2).

Для обеспечения хорошей частотной избирательности усиление должно резко уменьшаться за пределами по­ лосы пропускания, т. е. резонансная кривая усилителя должна иметь крутые боковые ветви приближаясь по форме возможно ближе к прямоугольной. Отсюда выте­ кает второй способ оценки частотной избирательности. Степень отличия резонансной кривой реального УПЧ от

лей УПЧ. УПЧ как составной элемент приемника в про­ цессе эксплуатации находится под воздействием изме­ няющихся внешних условий: ударов, вибраций, измене­ ний напряжения источников питания, колебаний температуры, влажности и др. Эти воздействия приводят к изменению его основных качественных показателей. Поэтому к УПЧ предъявляется требование достаточно

15

высокой стационарности качественных показателей при наиболее неблагоприятном сочетании изменений внеш­ них условий.

Стационарность УПЧ включает в себя понятия ста­ бильности и устойчивости основных качественных пока­ зателей.

Стабильность характеризует степень постоянства ка­ чественных показателей УПЧ под воздействием внешних дестабилизирующих факторов (изменения температуры, непостоянство напряжений источников питания, механи­ ческие воздействия, смена усилительных приборов, имею­ щих разброс параметров и т. п.). При этом предпола­ гается, что влиянием паразитных обратных связей в УПЧ можно пренебречь.

Устойчивость характеризует влияние паразитных обратных связей в УПЧ на его качественные показа­ тели. В УПЧ, у которого влиянием паразитных обрат­ ных связей пренебречь нельзя, может существенно ухуд­

являются исходными при проектировании УПЧ. В зави­ симости от назначения УПЧ к нему могут быть предъяв­ лены дополнительные специфические требования. При­ емники СВЧ в некоторых случаях не имеют усилителей высокой частоты и входным каскадом является преоб­ разователь частоты на пассивном нелинейном элементе (например, на полупроводниковом диоде). В этом слу­ чае чувствительность приемника в значительной степени определяется шумовыми и усилительными свойствами первых каскадов УПЧ. Помимо других требований, пер­ вый (иногда и второй) каскад УПЧ должен иметь ми­ нимальный коэффициент шума и возможно большой коэффициент усиления.

Точностные характеристики фазовых систем радио­ навигации, радиоуправления, радиолокации и систем единого времени в значительной степени определяются стабильностью фазовых характеристик УПЧ. По этой причине для УПЧ приемников этих систем весьма суще­ ственна высокая фазовая стабильность.

К УПЧ могут быть дополнительно предъявлены так­ же следующие требования:

— число каскадов УПЧ, габариты, вес, стоимость должны быть минимальными;

16

1. Равномерное распределение усиления и избира­ тельности в каскадах усилителя. Каждый каскад усили­ теля вносит определенный вклад в общее усиление и из­ бирательность (рис. 1.3). Усилители, построенные по это­ му принципу, в дальнейшем называются УПЧ с распре­ деленной избирательностью.

2. Разделение между каскадами функций усиления и избирательности. Необходимое усиление обеспечивает­ ся апериодическими резисторными или одноконтурными

Рис. 1.4. Структурная схема УПЧ с сосредоточенной избиратель­ ностью.

резонансными каскадами, имеющими избыточную поло­ су пропускания. Избирательность определяется филь­ тром сосредоточенной избирательности (ФСИ), который включается для улучшения эффективной избирательно­ сти на входе УПЧ между преобразователем частоты и первым каскадом усилителя (рис. 1.4). Усилители, пост­ роенные по второму принципу, в дальнейшем называют­ ся УПЧ с сосредоточенной избирательностью.

К недостаткам первого принципа построения УПЧ могут быть отнесены:

1.Взаимосвязь усилительных и избирательных функ­ ций. В некоторых случаях для достижения высокой из­ бирательности приходится использовать большее число каскадов, чем это вытекает из необходимости обеспече­ ния заданного усиления. Этот недостаток в значительной мере ослабляется возможностью перехода от однокон­ турных межкаскадных цепей к двухконтурным полосо­ вым фильтрам.

2.Эквивалентные затухания колебательных контуров получаются (в усилителях на биполярных транзисторах) значительно большими по сравнению с собственными затуханиями. В то же время рабочие затухания конту­ ров ФСИ близки к собственным. Следовательно, при

одном и том же количестве контуров УПЧ с ФСИ обес-

18

печивает более высокую избирательность. Основной объем микроминиатюрных УПЧ занимают контурные

объем, особенно если в качестве ФСИ используются пьезоэлектрические, электромеханические или пьезоме­ ханические фильтры.

3. Каждый каскад усилителя в многокаскадных УПЧ имеет в среднем невысокую избирательность. Поэтому воздействию помех со стороны мешающих радиостанций подвергаются не только первый, но и последующие кас­ кады. В результате перекрестные искажения и интермо­ дуляция могут возникнуть одновременно в нескольких каскадах и при высокой линейной избирательности УПЧ может иметь низкую эффективную избирательность. Этот недостаток характерен для УПЧ приемников длин­ ных — коротких волн.

4. Качественные показатели каждого каскада и уси­ лителя в целом зависят от разброса параметров усили­ тельных приборов. Для обеспечения заданной стабиль­ ности качественных показателей приходится применять дополнительные меры. Каскады УПЧ с ФСИ, особенно выполненные по апериодической схеме, малочувствитель­ ны к разбросу параметров усилительных приборов.

5. Наличие в каскадах колебательных контуров при­ водит к возможности неустойчивой работы из-за пара­ зитной внутренней обратной связи в усилительных при­ борах. Этот недостаток в основном характерен для УПЧ на биполярных транзисторах. Здесь практически всегда приходится применять специальные меры по повышению устойчивости. Внутренняя обратная связь усилительных приборов практически не оказывает влияния на устойчи­ вость апериодических каскадов УПЧ с ФСИ.

Главным достоинством принципа равномерного рас­ пределения усиления и избирательности является наибо­ лее полная реализация потенциальных усилительных возможностей применяемых ламп и транзисторов. УПЧ, построенный по этому принципу, при одном и том же усилении, что и у усилителя с ФСИ, содержит меньше усилительных приборов и деталей и имеет меньшую стоимость.

При высоких значениях номинальной промежуточ­ ной частоты возникают затруднения с реализацией ФСИ и апериодических усилителей.