книги / Усилители промежуточной частоты
..pdfЕсли |! ;> Кз , то Фп (л) является положительным Действительным корнем уравнения
_1___ 2 (р - 3) |
|
(?2 — 3)* |
|
|
|
- |
1) = 0 . |
(4.86) |
||
Ф„(«) |
Ф,1 («) |
+ |
4(1 + Р2)2 о / ‘< |
|||||||
Ф > ) |
|
|
|
|
|
|
|
|||
Значения |
частот, |
соответствующих |
уровню |
ап |
отсчета полосы про |
|||||
пускания / 1|2, полоса |
пропускания Пдп на уровне |
ап |
и полоса |
про |
||||||
пускания Пп на уровне |
оп -- Ÿ2 определяются |
соответственно |
вы |
|||||||
ражениями |
(4.G8) — (4.70), где Ф(п) = |
Ф„ (я) |
при |
а„ = |
V 2 |
Числен |
ные значения функции ф(я) и коэффициента непрямоугольности ре зонансной кривой Нд приведены в табл. 4.9
Расчетное значение эквивалентного затухания контуров: при заданной полосе пропускания
(Ппф (n)/fо для контуров полосовых фильтров,
(4.87)
211^ (/г)//о для контуров одноконтурных каскадов; при заданной избирательности:
уА («) для контуров полосовых фильтров,
d0 =
2</аФ„ (п) для контуров одноконтурных каскадов,
где Фд (/г) = Фи (п) при замене а1Т на ап.
Предельное значение расчетного эквивалентного затухания кон туров полосовых фильтров при критической связи определяется из
выражения (4.82) при kv= kM. |
|
|
|
|
|
|||
Вариант |
1 (рис. 4.6) : |
|
_______ |
|
|
|
||
|
|
|
d3nI = ^VL/V 3 |
^ |
1— k“x. |
|
|
|
Вариант |
2: |
______________________ |
|
|
||||
|
|
rfan .1 = |
Y J ] |
2 + |
ер (l - |
/îy) |
* |
|
При do^doni следует |
использовать |
первый вариант, |
при |
dOni<d0^C |
||||
^ d 0nii— второй вариант полосовых фильтров. Частоты |
настройки |
|||||||
контуров |
полосовых фильтров второго |
варианта |
рассчитываются по |
|||||
формуле |
(4.75) при условии, что |
|
|
|
|
|
ео=1+3</„2/2.
4.5. ВЛИЯНИЕ ИЗМЕНЯЮЩИХСЯ УСЛОВИЙ И РАЗБРОСА ПАРАМЕТРОВ УСИЛИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ НА СТАБИЛЬНОСТЬ ОСНОВНЫХ КАЧЕСТВЕННЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ УПЧ
Изменение внешних условий работы УПЧ (колеба ния температуры и напряжений источников питания, механических воздействий и др.) приводит к изменению параметров усилительных приборов и других деталей каскадов усилителей. Кроме того, параметры усилитель
ных приборов различаются из-за несовершенства техно логии их производства.
Указанные факторы вызывают нестабильность основ ных качественных показателей усилителей: коэффициен та усиления, полосы пропускания, форм1?1 резонансной и фазовой характеристик. Аналогичные изменения каче ственных показателей могут возникать при работе в ре жимах ручной или автоматической регулировок усиле ния [35]. Поскольку к УПЧ обычно предъявляют требо вание высокой стабильности основных качественных показателей, то вопрос о ее обеспечении является одним из главных при проектировании.
Основным дестабилизирующим фактором в лампо вых УПЧ является разброс величин входных и выход ных емкостей, проявляющийся при смене ламп. Влияние непостоянства этих емкостей на основные качественные
показатели УПЧ подробно |
рассмотрено в |
работах |
[6, 19, 23 и др.], результаты |
которых позволяют |
сделать |
следующие выводы:
1. Вредное влияние разброса входных и выходных емкостей ламп на качественные показатели усилителя сказывается тем слабее, чем больше собственная ем кость контура С, чем ниже номинальная промежуточная частота /о и шире полоса пропускания Пп-
2. Нестабильность коэффициента усиления растет
сувеличением числа каскадов УПЧ.
3.Нестабильность полосы пропускания настроенных УПЧ возрастает с уменьшением числа каскадов. У уси лителей с расстроенными каскадами она растет с уве личением числа каскадов.
Величины этих емкостей могут быть рассчитаны из условий:
|
|
^ - < 5 2*-для одноконтурных УПЧ, |
(4.88) |
|
|
/о |
|
7 |
$^', |
< S -5а. для двухконтурных УПЧ, |
(4.89) |
где АСэ, АСЭ1, ДСэ2— абсолютная величина максималь ного приращения полной емкости контура соответствен но в одноконтурном и двухконтурном усилителях при наибольшем разбросе входных и выходных емкостей ламп: АСэ= АСак+ ACg.KC, AC3i=A C aio AC32=AC^.HC.
Опыт проектирования УПЧ показывает, что в усили теле с числом каскадов 2—6 при допустимых измене-
102
ниях полосы пропускания и коэффициента усиления не более чем на (10—20%) могут быть рекомендованы следующие нормы для параметра ô [1, 35]
|
0,7 |
0,9 — одноконтурный настроенный УПЧ, |
|||
|
0,3 -г- 0,5 — усилитель |
с |
парами |
расстроенных ка |
|
8 = |
|
скадов, |
|
|
|
0,1 -s- 0,2 — усилитель |
с |
тройками |
расстроенных ка |
||
|
|
скадов, |
|
|
|
|
0,4 ч- 0,7 — двухконтурный усилитель и УПЧ с одно |
||||
|
|
контурными и двухконтурными каскадами. |
|||
Главными дестабилизирующими факторами в транзисторных УПЧ |
|||||
являются: |
|
|
|
|
|
1. |
Непостоянство величин входной Сцс и выходной С22 емкостей |
||||
транзисторов, |
приводящее к изменениям полной емкости контура и |
основных качественных показателей УПЧ.
Качественные показатели транзисторного усилителя считаются стабильными, если удовлетворяются условия (4.88) и (4.89). В этом случае ЛСП, ДСаь ДСэг — абсолютные величины максимального при ращения полной емкости контура соответственно в одноконтурном и двухконтурном каскадах при наиболее неблагоприятном сочетании изменений внешних условий и разброса входной Сцс и выходной С22 емкостей усилительных приборов:
£ДСЭ= т?ДС28 + /и? ДС11с, ДСЭ1 = ш?ДС22, гДСэ2 = т,Д С 11С. |
(4.90) |
2. Изменения величин активных составляющих входной и выход ной проводимостей усилительных приборов, вызывающие нестабиль ность полосы пропускания и коэффициента усиления по напряжению.
Полоса пропускания УПЧ считается стабильной, если выполня ются условия:
Ag9 |
ДПЛ |
(4.91) |
— <"тГ"' Для одноконтурных каскадов, |
||
6 9 |
ААП |
|
Âgei |
Д£э2 |
ДПп |
Двухконтурных каскадов, |
f(4.92) |
rz— » |
~ — ^"тт- " Для |
|||
! g 91 |
Ь Э2 |
ААП |
|
|
где Ago, Agou Д^о2 — абсолютная |
величина максимального |
прираще |
ния эквивалентной резонансной проводимости контура соответственно в одноконтурном и двухконтурчем каскадах при наиболее неблаго приятном сочетании изменений внешних условий и разброса величин проводимостей £22 и gnc:
àgv = |
*g + |
infàgi, + |
ntfbgue; [6g9l = |
Ag, + |
m?4gS2; |
bgn = |
&g2 + |
'rfàguc; |
àg = 2nfpd&Cs, |
4rf, = |
2nftldàCax; |
= 2nffidàC9i;
Ag22, Ague — максимальные абсолютные приращения проводимостей S22 и £ ц с; ДНп/Нп — максимальное допустимое относительное изме
нение полосы пропускания.
Стабильность полосы пропускания возрастает при уменьшении коэффициентов трансформации т{ и /и/. Последние всегда могут
быть |
выбраны так, чтобы удовлетворялись условия (4.91) и (4.92). |
3. |
Нестабильность величины крутизны у2\ транзистора, приводя |
щая к нестабильности коэффициента усиления по напряжению. Отно |
сительные приращения коэффициентов усиления каскада по напря жению определяются соотношениями:
> о
До.
àKoi
/Со.
| А#21 1
для одноконтурного каскада,
Д£э
1Д</21 |
для двухконтурного усилителя
Y bgilbgЭ2
где |A*/2i | — абсолютное приращение модуля крутизны транзистора
при наиболее неблагоприятном сочетании изменений внешних условий и разброса величины \уг\\.
Аналитические расчеты схем температурной стабилизации каче ственных показателей, обеспечивающие точность, достаточную для инженерных расчетов, в настоящее время еще не разработаны. По этому параметры деталей схем, особенно в ответственных УПЧ. при ходится подбирать экспериментально при условии предварительной разбраковки транзисторов. Обычно при этом удается свести к до пустимому минимуму влияние измерений \уи\, gu и g u c как на коэффициент усиления по напряжению, так и на полосу про пускания.
ГЛАВА 5 |
РЕЖИМЫ РАБОТЫ МЕЖКАСКАДНЫХ |
|
|
|
ЦЕПЕЙ УПЧ С РАСПРЕДЕЛЕННОЙ |
|
ИЗБИРАТЕЛЬНОСТЬЮ |
5.1.ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЕ ЗАМЕЧАНИЯ
Впредыдущих главах были получены общие соот ношения для коэффициентов усиления и эквивалентных затуханий контуров УПЧ с одноконтурными и двухкон турными каскадами. В эти соотношения входят коэффи циенты трансформации rrii, m t и собственные емкости контуров: С — в одноконтурных, Сь С2— в двухконтур ных каскадах. Выбор этих величин осуществляется при определенных ограничениях:
—значения mt-, mLне могут превышать единицу;
—в схемах с автотрансформаторным включением контуров nii, mi не должны быть меньше некоторой ми нимальной конструктивно выполнимой величины тт;
— в каскадах с обратным автотрансформаторным и обратным емкостным включением контуры m u m i свя заны условием m i + m i = 1;
—минимальная величина собственной емкости кон тура ограничена суммой распределенных емкостей мон тажа и контурной индуктивности Ст ;
—значительное уменьшение собственных емкостей контуров может ухудшить стабильность основных харак теристик усилителя;
—чрезмерное увеличение емкостей С, Сь С2 приво дит к росту собственных затуханий контуров, уменьше нию усиления и затруднениям в реализации контурных индуктивностей и критической связи в полосовых
фильтрах.
Величины mu mi, С, Сь С2 определяются в резуль тате электрического расчета УПЧ. Методика их расчета существенно зависит от конкретных требований, предъ являемых к усилителю, и от свойств усилительных при боров. При проектировании УПЧ приемников различного назначения приходится сталкиваться с самыми различ ными сочетаниями этих требований и свойств. В настоя щей главе будет показано, что указанные сочетания
в определенных пределах обладают некоторыми общи ми закономерностями и свойствами и может быть выде лено для одноконтурных каскадов семь и для двухкоитурных каскадов четыре так называемых режима работы межкаскадных цепей УПЧ.
5.2. КЛАССИФИКАЦИЯ РЕЖИМОВ РАБОТЫ МЕЖКАСКАДНЫХ ЦЕПЕЙ
При расчете каскадов усилителя стремятся к тому, чтобы эквивалентные затухания контуров в схеме каска да, определяемые соотношениями*) (3.23), (3.29), (3.33) и (3.38), были равны расчетным значениям:
dQ=d0 для |
одноконтурных |
каскадов, |
(5.1) |
d3i= dDz=do для |
двухконтурных |
каскадов **> |
(5.2) |
Очевидно, что если do<d, то усилитель не |
может |
быть реализован. Поэтому в дальнейшем считается, что всегда d<do. Конкретные методы выполнения условий
(5.1) и (5.2) зависят от |
типа усилительных приборов |
и реальных требований, |
предъявляемых к УПЧ. Так, |
в широкополосных ламповых усилителях при невысокой 1(меныне 20^30 Мгц) промежуточной частоте вносимые затухания Adu Adt малы и условия (5.1) и (5.2) обеспе чиваются увеличением собственных затуханий контуров d, dlf d2 путем шунтирования их резисторами. Напротив, в усилителях на биполярных транзисторах величины вносимых затуханий Adu Adi, как видно из выражений (3.25), (3.30), (3.35) и (3.39), могут быть сделаны до статочно большими. Значения Adi, Adt существенно за висят от коэффициентов трансформации, собственных емкостей контуров, входной и выходной проводимостей усилительных приборов. При обеспечении условий (5.1) и (5.2) обычно имеется достаточно широкая свобода вы бора элементов схемы каскада. Например, в одноконтур ном каскаде на биполярном транзисторе рис. 3.8 удов летворение (5.1) и( 5.2) может быть в большинстве слу-
Исключение составляют одноконтурные УПЧ, предназначенные для усиления стабильных узкополосных или монохроматических сиг
налов, когда |
требования |
к полосе |
пропускания и избирательности |
||
не оговорены. Особенности этих УПЧ рассматриваются в 5.7. |
|||||
**> Условие (5.1) в одноконтурных УПЧ |
соответствует |
наиболее |
|||
расстроенным |
каскадам. |
В других |
каскадах |
dou= d0D(k, |
v). |
чаев достигнуто лишь за счет соответствующего выбора коэффициента трансформации mi при известном произ воле в выборе значений т г- и С. По этой (и другим) причинам при выборе mif mif С, Сь С2 учитываются так же следующие важные требования:
— получение максимального усиления сигнала в каскадах, у которых можно пренебречь влиянием па разитной внутренней обратной связи в усилительных приборах, или получение максимального устойчивого коэффициента усиления, при необходимости учета этой обратной связи;
—обеспечение стабильности основных качественных характеристик усилителя не хуже заданной;
—максимальное удовлетворение технологическим требованиям.
Режимы работы межкаскадной цепи одноконтурных каскадов
1. Усилитель служит для усиления сигналов, частот ный спектр которых занимает определенную полосу ча стот (могут быть также предъявлены требования к изби рательности). Заданы общий коэффициент усиления и форма результирующей резонансной кривой. Влиянием внутренней обратной связи в усилительных приборах можно пренебречь.
Приведенный перечень требований является наибо лее распространенным в случае одноконтурных УПЧ. Удовлетворение этих требований может быть обеспечено одним из четырех режимов работы межкаскадной цепи:
—режим оптимального согласования;
—режим согласования;
—режим оптимального рассогласования;
—режим рассогласования.
Выбор того или иного режима определяется в основ ном, типом используемых усилительных приборов.
Рассмотрим особенности этих режимов.
В режиме оптимального согласования значения па раметров mu mu С выбираются так, чтобы коэффициент усиления был максимальным при согласовании усили тельных приборов соседних каскадов, а условия (5.1) и (5.2) выполняются только за счет входной и выходной giic, g22 проводимостей усилительного прибора без при менения шунтирующих резисторов. Этот режим работы
является основным для УПЧ на биполярных транзисто рах при умеренно-широкой полосе пропускания.
В широкополосных УПЧ могут иметь место затрудне ния с реализацией режима оптимального согласования, если £22, ёма(гпс) малы. При согласовании проводимо стей £22 и £ис их величина оказывается недостаточной для шунтирования контура и d3<ido-
В подобных случаях -можно поступить двояко. Можно сохранить согласование проводимостей £ 2 2 и £ п с , а не обходимое затухание d»=do обеспечить резистором шун та. Коэффициент усиления при этом уменьшается из-за дополнительных потерь энергии сигнала на сопротивле нии шунта.
Рассмотренный режим принято называть режимом
согласования. |
отказаться |
от согласования |
|
Поступая |
иначе, можно |
||
и увеличить |
шунтирование |
контура со |
стороны усили |
тельных приборов, увеличив при этом сопротивление ре зисторов шунта или исключив его из схемы. Из-за рас согласования усиление будет уменьшаться, но вследст
вие увеличения сопротивления |
шунта оно |
возрастает. |
В результате, при определенных |
условиях, |
может быть |
получен заметный выигрыш в усилении по сравнению с режимом согласования. Отсюда и название режима — режим оптимального рассогласования.
Проводимости £22 или £ис могут быть весьма малы (у ламп и униполярных транзисторов) и их недостаточ но для шунтирования контура даже при т г= 1, //?/= 1. Мощность полезного сигнала, рассеиваемая на них, пре небрежимо мала по сравнению с потерями на собствен ной резонансной проводимости контура и на сопротивле нии резистора шунта.
Очевидно, что согласование проводимостей £22, £ и с утрачивает смысл. Этот режим называется режимом рас согласования.
2. Усилитель должен удовлетворять тем же исход ным данным, что и в предыдущем случае, за исключе нием следующих ограничений.
Во-первых, нельзя пренебречь влиянием внутренней обратной связи в усилительных приборах, ограничиваю щей величину устойчивого коэффициента усиления. При менение нейтрализации внутренней обратной связи или других методов повышения устойчивости (см. гл. 7) дает возможность увеличить устойчивый коэффициент усиле
ния, однако из-за разброса параметров усилительных приборов и их нестабильности при изменяющихся внеш них условиях величина этого выигрыша также ограниче на. Кроме того, применение методов повышения устой чивости усложняет схему каскада, увеличивает количе ство деталей делает более трудоемкой первичную настройку усилителя и поэтому не всегда целесообразно.
Во-вторых, общий коэффициент усиления УПЧ может быть ограничен некоторой заданной величиной, превы шение которой нежелательно. В УПЧ с расстроенными каскадами число каскадов изменяется сразу двойками, тройками и т. д. Это может привести к чрезмерному избыточному усилению.
Таким образом, в обоих случаях приходится применять специальные меры по уменьшению коэффициента усиле ния. Для общности будем считать, что величина коэффи циента усиления каскада для каждого из рассмотренных случаев не должна превышать некоторого значения /Смаке или ^УМакс (максимальные коэффициенты усиления по напряжению и току).
Соответствующий режим работы усилителя называ ется режимом фиксированного усиления.
3. К усилителю узкополосных стабильных сигналов может быть предъявлено требование обеспечения макси мальной частотной избирательности. Требования к ши рине полосы пропускания не оговариваются. Коэффици ент усиления каскада не должен превышать максималь ного устойчивого значения. Это приводит к режиму фиксированного усиления при максимальной избиратель ности.
4. Усилитель предназначен для обеспечения стабиль ного усиления узкополосных или монохроматических сигналов. Задан результирующий коэффициент усиления. Требования к частотно-избирательным свойствам и к полосе пропускания не предъявлены. Влиянием внут ренней обратной связи в усилительных приборах можно пренебречь. Очевидно, что значения коэффициентов трансформации ть mi и собственная емкость контура С должны быть выбраны так, чтобы каждый каскад уси лителя отдавал максимально возможное усиление. УПЧ в этом случае будет содержать минимальное количество каскадов. Режим работы, удовлетворяющий перечислен ным условиям, называется режимом максимального усиления.
Режимы работы межкаскадной цепи двухконтурных каскадов
1. Режим оптимального согласования. Выходной про водимости усилительного прибора g22 и входной прово димости guc усилительного прибора следующего каска да (проводимости нагрузки) достаточно для шунтирова ния соответственно первого и второго контуров полосо
вого фильтра |
без включения резисторов шунтов. |
2. Режим |
согласования. Возможны два рода этого |
режима. Режим согласования первого рода: проводи мости g& недостаточно для шунтирования первого кон тура полосового фильтра при /п ,= 1. Для обеспечения заданной полосы пропускания к нему необходимо под ключить резистор шунта. Режим согласования второго рода: проводимости Une при rtii= 1 или сопротивления Гцс недостаточно для шунтирования второго контура полосового фильтра. К нему должен быть подключен резистор шунта.
3. Режим рассогласования. В этом случае проводи мостей g u c , gzz при (гц= 1, /И(=1 недостаточно для шун тирования как первого, так и второго контура полосо вого фильтра. К каждому из них подключаются шун тирующие резисторы.
4. Режим фиксированного усиления. Он полностью аналогичен режиму фиксированного усиления однокон турного усилителя.
5.3. РЕЖИМ ОПТИМАЛЬНОГО СОГЛАСОВАНИЯ ОДНОКОНТУРНОГО УПЧ
1. Усилитель с параллельным подключением к контуру усилительного прибора следующего каскада (рис. 5.1)
Эквивалентное затухание контура dD и коэффициент усиления каскада по напряжению (рис. 5.1) определяют ся соответственно соотношениями (3.23) и (4.9). Опуская
л |
Æ N |
-1* Л |
/ |
Lr |
\ У |
|
■ Yi — |
“i "j mi \ , |
i |
||
|
|
|
“tc T |
||
о |
■1 |
■■ |
<) |
1 |
Рис. 5.1. Обобщенная схема каскада одноконтурного УПЧ с парал лельным включением контура.