книги / Усилители промежуточной частоты
..pdfГ Л А В А « |
УСИЛИТЕЛИ ПРОМЕЖУТОЧНОЙ |
|
ЧАСТОТЫ С СОСРЕДОТОЧЕННОЙ |
|
ИЗБИРАТЕЛЬНОСТЬЮ |
6.1.ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЕ ЗАМЕЧАНИЯ
КУПЧ могут быть предъявлены очень высокие тре бования по избирательности, особенно эффективной. Для
ееобеспечения в таких случаях применяют фильтры со средоточенной избирательности (ФСИ).
Как правило, бывает достаточно одного ФСИ, кото рый включается ца входе УПЧ между преобразователем частоты и первым каскадом, что существенно уменьшает перекрестные искажения и интермодуляцию.
Вкачестве ФСИ используются:
—многозвенные LC-фильтры;
—пьезоэлектрические фильтры;
—электромеханические фильтры;
—пьезомеханическче фильтры.
Различают два типа УПЧ с ФСИ.
1. ФСИ включается на входе УПЧ с распределенной избирательностью для резкого сужения полосы пропуска ния при изменении рода работы приемника. Так, напри мер, при приеме речевых амплитудно-модулированных сигналов, необходима полоса пропускания порядка б— 10 кгц. Она обеспечивается двухкаскадным двухконтур ным УПЧ (рис. 6.1,я, переключатели Я ь Я2 в положе нии 2).
При приеме незатухающих телеграфных сигналов до статочна полоса пропускания от десятков до нескольких сотен герц. На входе включают ФСИ (переключатели на рис. 6.1,а в положении 1).
В качестве ФСИ в подобных случаях обычно исполь зуют пьезоэлектрические (кварцевые) фильтры.
2. ФСИ включается на входе широкополосного УПЧ, имеющего избыточную полосу пропускания и состоящего из апериодических резисторных или одноконтурных резо нансных каскадов (рис. 6.1,6).
Полоса пропускания и избирательность определяются главным образом ФСИ. В приемниках с переменной по-
лосой пропускания регулируют полосу ФСИ изменением его -параметров или применяют несколько фильтров с различными полосами пропускания. УПЧ с ФСИ чаще используются в приемниках высоких классов.
Улучшение избирательности и снижение ослабления сигнала ФСИ на LC может быть достигнуто лишь умень шением потерь в элементах фильтра и прежде всего уменьшением собственного затухания индуктивностей.
Рис. 6.1. Основные типы УПЧ с ФСИ:
а — УПЧ с распределение^! избирательностью (ФСИ включается при приеме узкополосных сигналов); б — УПЧ с постоянно включенным ФСИ.
Из-за конструктивных трудностей величина последнего редко бывает меньше 0,002—0,003. Это обстоятельство накладывает ограничение на достижимую избиратель ность, при заданной полосе пропускания и при умерен ном ослаблении сигнала. Кроме этого многозвенные LC-фильтры имеют сравнительно большие габариты.
При особо жестких требованиях к избирательности и к габаритам в УПЧ -применяют пьезоэлектрические, пьезомеханические и электромеханические ФСИ.
В зависимости от вида реализуемых колебаний и ма териала резонаторов они имеют затухания от 0,3* 10-2 до 10"6. Форма кривой избирательности у этих фильтроз близка к идеальной прямоугольной.
Основными характеристиками ФСИ являются:
1. Средняя частота полосы пропускаемых частот, рав ная номинальной промежуточной частоте /о-
2. Полоса пропускаемых частот Пп.
3. Коэффициент передачи по напряжению /Сф = ц2/^1.
4.Избирательность сп при расстройке Д/с.
5.Относительная неравномерность вершины резо
нансной К Р И В О Й Ор.
6.Входное pi и выходное р* характеристическое со противление.
7.Интервал рабочих температур.
8.Габаритные размеры, вес и стоимость.
Электромеханические, пьезомеханические и много звенные пьезоэлектрические ФСИ представляют собой обычно конструктивно законченный узел УПЧ, в готовом виде выпускаемый промышленностью. При проектирова нии УПЧ остается лишь выбрать ФСИ, качественные ха рактеристики которого наиболее близки к необходимым.
Фильтры на LC чаще всего проектируются и изготов ляются для УПЧ конкретного типа приемника. Они мо гут быть построены по мостиковой или многозвенной цепочечной схеме. В первом случае, при одинаковых ка чественных показателях фильтр содержит меньше дета лей, чем во втором. Однако мостиковые фильтры требу ют более высокой стабильности индуктивностей и емко стей, чем цепочечные. Это является одной из основных причин столь широкого применения цепочечных филь тров.
Фильтры, использующие мостиковые схемы, обычно выполняются на высокостабильных пьезоэлектрических (кварцевых) резонаторах.
Одним из важнейших условий применения ФСИ в тракте промежуточной частоты является согласование его входного характеристического сопротивления р* с вы ходной проводимостью gzzn преобразователя частоты и выходного характеристического сопротивления р/ с про водимостью нагрузки g'iic (входной проводимостью пер вого каскада УПЧ).
6.2.МЕТОДЫ СОГЛАСОВАНИЯ ФСИ В УПЧ
Вобщем виде структурная схема тракта промежуточ ной частоты приемника с ФСИ может быть представле на в виде, показанном на рис. 6.2. Она состоит из соб
ственно ФСИ, входного (СУ*) и выходного (СУ*) согла сующих устройств. Способы согласования определяются величиной произведений pigzm и р/£цс, шириной полосы пропускания фильтра Цп, а также необходимой точно-
стыо согласования. Рассмотрим соответствующие устрой ства для наиболее распространенных случаев.
В приемниках на электронных лампах и униполяр ных транзисторах проводимости g&п и gilc малы (p^22n4Cl» P(giic<Cl)- В качестве согласующих устройств
Рис. 6.2 . Обобщенные схемы УПЧ с ФСИ:
а— упрощенная по переменному току; б— эквивалентная.
применяются проводимости gi и Si (рис. 6.3,а). Условия согласования имеют вид
(g22tt+ £i)pi= 1» |
(^îic + g'OPi—1- |
(6.1) |
Отсюда |
|
|
S i = ( 1 / p i ) — g n n , |
g i = ( V p i ) — g n c - |
( 6 . 2 ) |
В УПЧ на биполярных транзисторах, когда проводимо
сти g 22a И güc велики (р,-^22п>1 И p ig iic > l), методика согласования зависит от ширины полосы пропускания П*. При Пп^ 0,02 -г-0,1 в качестве согласующих устройств используются широкополосные трансформаторы сопро тивлений (рис. 6.3,6), параллельные колебательные кон туры (рис. 6.3,в) и (сравнительно редко) несимметрич ные трансформаторные Т- или П-образные полузвенья LC-фильтров (рис. 6.3,г). Последний способ характерен для широкополосных ФСИ.
Коэффициенты трансформации широкополосных трансформаторов (рис. 6.3,6) определяются из условий согласования
откуда |
mi = lI Y PtgtlC , |
|
Шг= 1/ VРTihZ, |
(6.4) |
|
причем |
|
(6.5) |
nii=uolui, |
mi=uic/u2. |
|
Коэффициент усиления по напряжению преобразова |
||
теля частоты на промежуточной частоте |
|
|
* „ = ^ = 4 -n itm iK w P iS u ^ K u n K *^ 4" ’ |
(6 -6) |
где Кмп — усилительный потенциал преобразователя ча
стоты: |
______ |
К ыи = |
S n/2 \/ £22и£цс> |
Рис. 6.3. Схемы согласования ФСИ при помощи согласующих прово* димостей gi и gi (а), широкополосных трансформаторов (б), коле бательных контуров (в), трансформаторных звеньев (г).
K$N=U2jui — коэффициент передачи напряжения ФСИ. Индуктивности Lu, Lu выбираются так, чтобы контуры Lu, Спа. и Lu Cue были настроены на промежуточную частоту
2.53-10* |
(6. 8) |
La.u (мкгн) = |
|
/и (М<Щ) С 22и , л о [11Ф) |
|
Принимая во внимание, что |
|
ь / i ' r |
(6-9) |
и выбирая конструктивно удобные значения коэффици ентов связи ki и kl, получаем расчетные соотношения для
Lu и La:
L2i = |
Lti (ftiijhi)', |
Lit = |
Lxi {niijki)-. |
(6.10) |
Колебательные |
контуры |
Lu, |
Ci и Lu, |
Ci в схеме |
рис. 6.3,в настроены на промежуточную частоту (емко сти Сггп и Cue учтены соответственно в емкостях Ci и Q)
и |
обеспечивают дополнительную избирательность УПЧ |
с |
широкополосными апериодическими и резонансными |
каскадами на частоте гетеродина, что важно при ис пользовании, например, многозвенных пьезоэлектриче ских ФСИ типа ПФ1П [19]. Расчетные значения эквива лентных затухания контуров *>
dЛ |
fт/lо /о//г |
(6. 11) |
О |
V |
|
где/г, ог— частота гетеродина и необходимая избира тельность на этой частоте; Na— количество контуров УПЧ, настроенных на промежуточную частоту, включая согласующие контуры Lu, С,-; Lu, Ci.
Эквивалентные затухания согласующих контуров
|
dai — d - |
m-ug2ia |
|
in2,; |
|
2*/oL’ |
|
(6. 12) |
|
|
|
|
||
|
dai— d-\~ |
mUëuo |
+ |
m.> |
|
2n/„pjCj |
|||
|
|
2"/oC, |
~ |
|
Условия согласования |
имеют вид |
|
||
— Р* |
o^Ci -j- |
|
М д — |
Р/ (2ltf adCi -{- ГПц g tic)- |
*> Если |
к приемнику |
не предъявляется повышенных требований |
||
по избирательности, то принимают |
(4-=-5) Г1п//о (19J. |
19G
Подставляя их в (6.12) при d^i = da = d0 И иМбЯ в виду, что Ci = C, -\-Ст-\-т2и С22П, Ci — С2-\-Ст-\-т2н Спс,на ходим расчетные соотношения для коэффициентов транс формации:
|
|
т С 1 ( ^ р / 2 |
|
__l |
/ |
gmciС2 (^р/2 |
(/) |
|||
|
|
22П(^о/2 rf) |
|
Г |
|
1—а,iic (d0/2 |
rf) |
|||
/Я.•м = "г,г ^ |
Pt^22n |
m2l= md ] / |
PlgllC |
|
||||||
|
|
2rf/rf„ |
|
|||||||
|
|
|
2rf/rf0 |
|
|
|
|
(6.13) |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где C,, |
C2, |
Cm — собственные |
емкости |
контуров и |
||||||
емкость |
монтажа; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
a mci — 2 TS/ O (C*i “ f“ C m ) l S^22ii> |
a mc2 — |
|
|
(^2 “Ь |
|
C m ) / 6 n c î ^ |
||||
a 22ll = = |
^ ^ / о С о о п / ^ з г Ч ’ |
a i] C ----- ^ |
/ |
O C |
J I C / g - n c . |
/ |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(6.14) |
Из технологических соображений удобно выбирать собственную емкость контура САтак, чтобы miü=l (пол ное включение контура Lu, C i ) .
Из первого выражения (6.13), полагая пгц= 1, опре деляем
Cl=C22U[ a=2n(rfo/2-fO |
_ 1 ] |
Ст• |
(6Л5) |
Полное включение контура L u , C i |
не |
всегда |
возможно |
(из-за больших ёцс, Сцс значение С2, при котором т-ц= 1, получается чрезмерно большим). Поэтому технологиче
ски удобно брать C2=Ci. |
L2I определяются |
так |
же, как |
|||
Значения /г*, |
ki, |
L2i, |
||||
в предыдущем случае. |
|
|
|
|
||
Коэффициент усиления по напряжению преобразова |
||||||
теля частоты на промежуточной частоте равен |
|
|||||
/г |
— lh± |
1 mlL т |
tSnK(j).V |
|
(6.16) |
|
401 _ |
Llt |
2 т21 |
• |
В широкополосных УПЧ на биполярных транзисто рах, когда полоса пропускания соизмерима с промежу точной частотой (n n/fo>0,l-f-0,2) и требуется высокая точность согласования, рассмотренные выше методы со гласования становятся непригодными. В этом случае со-
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Т а б л и ц а |
6.1 |
|
|
|
Несимметричные трансформаторные звенья |
|
|
|||||||||
а |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
£ |
|
|
Схема |
звена |
|
Расчетны е ф орм улы д л я |
д етал ей схем ы |
||||||
25 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
c, = - |
|
mC, |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
Lf |
|
Cf |
Cz |
Lz |
|
fê+ fi |
■m |
|
||||
|
|
|
Я- f i |
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
-il |
m 2j3 |
C s = |
OTCJ |
|
|
i Lj—/T Z/J |
||||||
' |
|
f i |
|
|
|||||||||
|
m f l - |
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
n + n |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
i , = |
( f i— f t ) ’ |
Сз |
K ? m (fa+ f i ) |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
Cl = |
f i - U |
|
|
C |
- 3 |
|
|
c< |
Л |
|
|
Cz |
|
2*fih?’ |
|
L i~m* ’ |
|
|||
o - |
HI— ! |
M |
i - |
I, =.«*!„ |
L ,= ^ f2 + M |
|
|||||||
|
|
|
|
Uz |
mzj3 |
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2*kfih |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
k = . |
f l |
- f |
i |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
f |
l + |
f ' i |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Ci = |
C2 — 2npm2 (f2 — f i) |
* |
||||
о......— I |
|
|
|
|
|
L2— m2Llt |
Lx= |
|
2 -2 (f* — |
||||
| |
* . |
|
t |
|
|
|
|
|
4«/j /2 |
|
|||
|
|
* >i |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
И |
|
|
cÂT5i^3c |
- h ) ( f l + f 2i), |
L 2 = |
m * L x, |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
с _ = |
|
Г |
|
|
|
|
k = |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
f l - f |
i |
|
f l + f i
гласование достигается путем использования в качестве согласующих устройств (рис. 6.3,г) несимметричных трансформаторных звеньев (ТЗ), содержащих мини мальное количество деталей. Схемы таких звеньев и ос новные расчетные формулы приведены в табл. 6.1, где fu /2 — соответственно нижняя и верхняя частоты среза, в первом приближении равные /1,2= /о+ П п/2 .
Согласование при помощи трансформаторных звеньев иногда применяется в случае многозвенных ФСИ, исполь
зующих |
пьезоэлектрические и пьезомеханические резо |
||
наторы, |
но главным образом — в |
случае |
широкополос |
ных симметричных LC-фильтров. |
Условия |
согласования, |
коэффициенты трансформации и коэффициент усиления преобразователя частоты определяются формулами (6.3)-(6.6).
6.3. МНОГОЗВЕННЫЕ ФИЛЬТРЫ СОСРЕДОТОЧЕННОЙ
ИЗБИРАТЕЛЬНОСТИ
Многозвенные LC-фильтры строятся на основании ме тодов обиден теории электрических фильтров. Эта теория позволяет в принципе проектировать ФСИ из идеальных индуктивностей L и емкостей С. Нужная полоса про пускания обеспечивается путем соответствующего выбо ра величин L и С. Реальные'контурные индуктивности и конденсаторы обладают потерями, которые ухудшают характеристики фильтров. По этой причине потери (за тухания) в фильтрах стараются сделать минимальными конструктивно выполнимыми. В этом состоит принципи альное отличие таких фильтров от рассмотренных ранее
одноконтурных и |
двухконтурных межкаскадных |
цепей, |
у которых полоса |
пропускания пропорциональна |
экви |
валентным затуханиям контуров.
ФСИ представляет собой систему Т- или П-образиых полосовых LC-звеньев, согласованных между собой по характеристическому сопротивлению. Общее число звень ев может достигать 5—10 и более. ФСИ -используются как в узкополосных, так и в широкополосных УПЧ (до Пп//о<0;5). Опыт показывает, что построение качествен ных ФСИ возможно, если Un/fo d ^ 1,4ч-2,0.
ФСИ может быть симметричным, т. е. иметь одинако вые характеристические сопротивления как со стороны входных, так и со стороны выходных полюсов, и несим метричным, если эти сопротивления различаются.
ФСИ усилителей на электронных лампах выполняет ся из симметричных звеньев. При расчете такого ФСИ задаются его характеристическим сопротивлением р в диапазоне 50—150 ком. Согласование с преобразова телем частоты и с первым каскадом УПЧ достигается при помощи согласующих резисторов (рис. 6.4,а), про водимости которых gi=gi= 1/р.
Фильтры транзисторных УПЧ также изготовляются из симметричных звеньев. Согласование достигается в узкополосных УПЧ за счет неполного включения кон
туров концевых полузвепьев (контуры Lu, |
Ci и Li/, Ci |
на рис. 6.4,6) или, что значительно лучше, |
применением |
в ФСИ двух концевых трансформаторных звеньев (ТЗ), как показано на рис. 6.3,г. Эти звенья являются полно правными звеньями фильтра, определяющими вес его качественные показатели. Последний способ согласова ния чаще используется в широкополосных УПЧ.