книги / Усилители промежуточной частоты
..pdfКАЧЕСТВЕННЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ,
СТРУКТУРА И КЛАССИФИКАЦИЯ
УСИЛИТЕЛЕЙ ПРОМЕЖУТОЧНОЙ ЧАСТОТЫ
< 1. 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 /0 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 /С7?, току !Уп или мощности Мп\ индекс п здесь обозначает число кас кадов УПЧ. В книге наиболее часто используется коэф-
фициент усиления по напряжению, равный отношению амплитуды напряжения сигнала на нагрузке усилителя »вых к амплитуде входного напряжения сигнала «в.ч на входных зажимах первого каскада:
Кп— Мвых/мВ Х ’ |
( 1 . 1 ) |
В теории УПЧ широко применяется понятие комплексно го коэффициента усиления по напряжению, равного от ношению комплексных амплитуд напряжений на выходе и входе усилителя:
К п = «вых/«Вх = K ne h n , |
(1.2) |
где Кп — модуль коэффициента усиления; срп — 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 103—10е. Величины Кп и фп существенно зависят от частоты /. Отношение Kn/Kon=Pn(f) принято называть уравнени ем резонансной кривой, а зависимость cpn ( f ) — уравне 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
|
З п = /вых//вх, Ь п = |
/ . « / / » * |
= |
3 n Z ° tn, |
(1.3) |
||||||
где |
/ вх, / вых — амплитуды |
входного |
и |
выходного |
токов |
||||||
на |
номинальной |
промежуточной |
частоте; |
/ вх, |
/ вых — |
||||||
комплексные |
амплитуды |
выходного |
и входного |
токов; |
|||||||
С/fit |
^гп — модуль и* фаза коэффициента усиления потоку. |
||||||||||
Значения |
Ьп и ?in |
также |
существенно |
зависят от |
|||||||
частоты. Если обозначить |
значение |
коэффициента уси |
|||||||||
ления Зп на |
номинальной |
промежуточной частоте |
через |
||||||||
J 0„, |
то по аналогии с |
коэффициентом |
усиления |
по на |
|||||||
пряжению отношение |
C/n/ J on = Pn (f) |
называют резонан |
|||||||||
сной кривой, |
а |
(/) — фазовой |
характеристикой |
УПЧ. |
|||||||
Коэффициент |
усиления по |
мощности |
представляет |
||||||||
собой отношение |
|
|
Р в ы х / Р в 1, |
|
|
|
(1*4) |
||||
|
|
|
М |
п = |
|
|
|
где Рвх — активная мощность, |
потребляемая |
первым |
|||
каскадом |
от источника усиливаемого |
сигнала; |
Я Вых — |
||
активная |
мощность |
сигнала, |
выделяющаяся |
на на |
|
грузке. |
|
|
|
|
|
Величины Коп, J on, Мп связаны следующими соотно |
|||||
шениями |
|
|
|
|
|
^ О П |
== * ^ о п ё ъ х / ё ю |
М п = |
0п = |
(ёвх/ён) === |
|
|
= |
У20п(ён/ёвх)- |
|
(1.5) |
Уравнения резонансной и фазовой характеристик очень часто записывают не как функции частоты, а в виде функций относительной у или обобщенной х расстроек, причем
|
|
|
|
|
|
y=(flfo)-(fo/f), |
x=d0y, |
|
(1.6) |
|||||
где do — расчетное эквивалентное затухание колебатель |
||||||||||||||
ных контуров усилителя. |
|
|
|
|
|
|
||||||||
3. |
|
Полоса пропускаемых частот Пп. Полосой пропу |
||||||||||||
скаемых частот (полосой пропускания) называется |
||||||||||||||
интервал |
частот |
в окрестности |
|
|
|
|
||||||||
номинальной |
промежуточной |
|
|
|
|
|||||||||
частоты, |
в пределах |
которого |
|
|
|
|
||||||||
значение |
|
модуля коэффициен |
|
|
|
|
||||||||
та |
усиления |
Кп |
или Cfn |
опу |
|
|
|
|
||||||
скается не более, чем в задан |
|
|
|
|
||||||||||
ное |
число |
раз |
по |
сравнению |
|
|
|
|
||||||
с величиной Коп или |
Cfon. |
По |
|
|
|
|
||||||||
лосу пропускания |
УПЧ |
Пп = |
|
|
|
|
||||||||
=?2—fi (рис. 1.1) принято от |
|
|
|
|
||||||||||
считывать на уровне 3 дб или |
|
|
|
|
||||||||||
0,707. |
Ширина |
полосы |
пропу |
Рис. 1.1. Резонансная кри |
||||||||||
скаемых |
|
частот |
УПЧ опреде |
|||||||||||
ляется |
|
допустимыми |
частот |
вая |
УПЧ. |
|
||||||||
|
/о — номинальная |
промежуточ |
||||||||||||
ными |
|
искажениями |
спектра |
ная частота; |
П п — полоса |
про |
||||||||
принимаемого сигнала, т. е. за |
пускания; |
h — частоты, |
со |
|||||||||||
ответствующие отсчету поло;ы |
||||||||||||||
висит от ширины спектра сиг |
пропускания |
по |
уровню 0,7. |
|||||||||||
нала, |
а |
также |
величиной |
ее |
|
|
|
|
||||||
запаса |
на нестабильность. При приеме радиотелеграфных |
|||||||||||||
сигналов она составляет несколько десятков |
и сотен герц, |
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
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 воли 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
межкаскадной цепи, включаемой между преобразовате лем частоты и первым каскадом УПЧ. Линейная изби рательность УПЧ оценивается по его резонансной кри вой двумя способами.
Избирательностью
a n = |
K o n I K gn = |
C f t n / C f e n , |
где КапУап — значение модуля коэффициента усиления на частоте /о, на которой оценивается избирательность;
оп — безразмерная величина, являющаяся функцией ча стоты и показывающая, во сколько раз усилитель ослаб ляет сигнал помехи на частоте fa (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
идеальной прямоугольной |
приня |
|
|
|||
то оценивать посредством коэф |
|
|
||||
фициентов непрямоугольное™ Я, |
|
|
||||
которые |
определяются как отно |
|
|
|||
шение |
полосы |
пропускания на |
|
|
||
уровне 0,1 и 0,01 к полосе пропу |
|
|
||||
скания на уровне 0,707: |
|
|
|
|||
Я oi= IToi/Пп, |
Яки = IIooi/nn. |
|
|
|||
Чем меньше величина коэффици |
|
|
||||
ента |
непрямоугольное™ |
отлича |
|
|
||
ется от единицы, тем ближе фор |
Рис. 1.2. Кривая |
избира |
||||
ма резонансной кривой к идеаль |
тельности УПЧ. |
|||||
ной, тем |
выше |
частотно-избира |
|
|
||
тельные |
свойства УПЧ. |
основных |
качественных |
показате |
||
5. |
|
Стационарность |
||||
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
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
шиться стабильность несмотря на то, что |
все допуски |
на качество деталей усилителя строго выдержаны. |
|
Перечисленные основные качественные |
показатели |
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;
— УПЧ должен быть прост по конструкции, при на стройке и в процесее эксплуатации, экономичным по источникам питания.
1.3.СТРУКТУРА УСИЛИТЕЛЕЙ
Вобщем случае УПЧ состоит из нескольких каскадов (рис. 1.3), обеспечивающих последовательное усиление
сигнала до нужной величины. В состав усилительного каскада входят:
1. Усилительный прибор (пентод, биполярный или униполярный транзистор, каскодное соединение двух триодов или транзисторов). Усилительный прибор (УП)
'----------------- |
*----------------- |
' ' |
--------------- у---------------- |
V . — — ,------------------' |
f-a |
каскад |
|
2-й каскад |
/7-й каскад |
Рис. 1.3. Структурная схема многокаскадного УПЧ с распределен ной избирательностью.
служит для преобразования энергии источников питания
вэнергию полезного сигнала.
2.Межкаскадиая цепь (МЦ) (одиночный колеба тельный контур, двухконтурный полосовой фильтр, со
единение /?С-элементов и др.). Межкаскадная цепь слу жит для передачи энергии сигнала от одного усилитель ного прибора к другому, для обеспечения необходимой полосы пропускания и частотно-избирательных свойств, а также для согласования (главным образом в УПЧ на биполярных транзисторах) усилительных приборов со седних каскадов с целью получения максимального уси ления.
3.Нагрузка (входная проводимость следующего кас када или детектора), реализующая полезный сигнал.
4.Детали цепей питания усилительного прибора,
цепи ослабления влияния паразитных обратных связей, цепи температурной стабилизации и др.
5. Источники питания (обычно общие для всех кас кадов УПЧ и для других узлов приемника).
УПЧ может быть построен по одному из двух прин ципов, предполагающих:
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
- ^ |
' • |
--- -■ |
У |
Преобразователь |
|
|
УПЧ |
частоты |
|
|
|
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 двухконтуриым 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
индуктивности. При одних и |
тех же |
избирательности |
и усилении усилитель с ФСИ |
может |
иметь меньший |
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.
УПЧ может быть однородным по типу каскадов или содержать разнотипные каскады, например: одноконтур ные и двухконтурные, резистивные и резонансные.
В УПЧ находят применение также специальные кас кады, к которым относятся:
—каскады системы автоматической регулировки усиления (АРУ);
—малошумящие входные каскады;
—выходные каскады, работающие в режиме огра ничения;
—каскады системы временной избирательности;
—каскады с кабельными переходами и др.
Специфической особенностью УПЧ является то, что
вформировании результирующей резонансной кривой и
вобеспечении заданной полосы пропускания и избира тельности непосредственно участвует межкаскадная
цепь, соединяющая преобразователь частоты с первым каскадом усилителя. Поэтому при проектировании УПЧ целесообразно рассматривать преобразователь частоты как специальный каскад УПЧ и определять степень уси ления полезного сигнала, полосу пропускания и частот ную избирательность с учетом его влияния.
1.4. КЛАССИФИКАЦИЯ УСИЛИТЕЛЕЙ ПРОМЕЖУТОЧНОЙ ЧАСТОТЫ
Усилители промежуточной частоты могут быть клас сифицированы по следующим основным признакам.
1.По типу усилительных приборов на ламповые, транзисторные, комбинированные.
2.По числу каскадов на однокаскадные, двухкаскад ные, многокаскадные.
3.По типу используемых каскадов на апериодичес кие, резонансные, комбинированные.
4.По ширине полосы пропускания на узкополосные
[(Пл//о) ^0,01 -f-0,1] и широкополосные {(Пп//0) >0,1].
5.По принципу обеспечения усиления и избиратель ности на усилители с равномерным распределением уси ления и избирательности и на усилители с ФСИ (с со средоточенной избирательностью).
6.По типу цепи межкаскадной связи и способу ее настройки на одноконтурные настроенные усилители (колебательные контуры всех каскадов настроены на номинальную промежуточную частоту); одноконтурные усилители с взаиморасстроенными каскадами (усилите-
20