6.7. Расчет широкополосных каскадов упч

Широкополосные каскады УПЧ могут быть слабоизбирательными или апериодическими, а в качестве усилительного элемента использоваться транзисторы или микросхемы.

Слабоизбирательными можно считать, например, одноконтурные резонансные усилители с полосой пропускания П_шп в несколько раз больше требующейся, то есть П_шп = (3÷5)∙П_УПЧ.

При такой полосе пропускания можно считать, что эти каскады не влияют на частотную характеристику УПЧ, которая будет определяться каскадом с ФСИ. Расчет слабоизбирательных одноконтурных усилителей приведен в [1].

Апериодический транзисторный каскад УПЧ

В апериодических транзисторных каскадах УПЧ нагрузкой транзисторов служат резисторы R_н рис. 6.36.

Рис. 6.36. Принципиальная схема апериодического транзисторного каскада УПЧ.

Это является существенным достоинством, так как позволяет обходиться без индуктивных катушек. Исключение при этом составляет лишь оконечный каскад УПЧ.

Недостатком апериодического каскада, по сравнению с резонансным усилительным каскадом является меньшее усиление, особенно на высоких частотах.

Вследствие этого использовать апериодические каскады целесообразно лишь при промежуточной частоте:

fп< (0,2 ÷ 0,3)∙fт

(6.101)

где f_т – частота, на которой коэффициент усилителя равен единице.

Для схемы включения с общим эмиттером (ОЭ):

fт ≈ y21/ 2π∙(С11+С22),

(6.102)

где y₂₁ – крутизна транзистора,

С₁₁ и С₂₂ – входная и выходная емкости транзистора соответственно.

Транзистор выбирается, пользуясь соотношениями (6.101) и (6.102). Задаются ток коллектора транзистора i_k=(0,5÷3)мА, падение напряжения на нагрузке U_k=(0,2÷0,6)Е_к.

Сопротивление R_н и проводимость g_н нагрузки:

;

(6.103)

Коэффициент усиления одного апериодического каскада:

,

(6.104)

где ω_п=2∙π∙f_п;

g_вх и С_вх – входная проводимость и емкость следующего каскада.

Для промежуточных каскадов g_вх= g₁₁, С_вх= С₁₁.

Величины у₂₁, g₁₁, С₁₁ и С₂₂ находят иcпользуя Y – параметры транзистора (ỳ₁₁=g₁₁+jω С₁₁ ỳ₂₂=g₂₂+jω С₂₂).

Необходимое число апериодических каскадов определяется по формуле (6.4) или (6.5).

Режим питания транзистора по постоянному току, а также сопротивление R_э и емкость С_э в цепи эмиттера определяются по формулам п.3.4.

Емкость разделительного конденсатора С_pi определяется из неравенства:.

Ср>(20÷50)С11

(6.105)

Оконечный (слабоизбирательный транзисторный) каскад УПЧ

Оконечный каскад является последним усилительным каскадом УПЧ, поэтому должен быть рассчитан на усиление сигналов сравнительно большого уровня без искажений.

Нагрузкой каскада является детектор, работающий, как правило, в линейном режиме, т.е. при воздействии сильных сигналов (не менее 0,5В). В динамическом диапазоне сигналов напряжение на детекторе может быть еще больше. Если, например, динамический диапазон выходных сигналов приемника равен 20дБ, то напряжение на детекторе изменяется в диапазоне от 0,5В до 5В.

Оконечный каскад в УПЧ с ФСС не должен влиять на АЧХ всего приемника, поэтому его проектируют слабоизбирательным с полосой пропускания П_ок в несколько раз большей полосы пропускания приемника П.

Пок=(3÷5) П

(6.106)

Расчет оконечного каскада состоит в обеспечении необходимой полосы пропускания (6.106), расчете коэффициента усиления и расчете электрического режима работы каскада, обеспечивающего усиление сигналов большого уровня без искажений.

Наибольшее распространение получила схема одноконтурного усилительного каскада с ОЭ [1,3], показанного на рис. 6.37.

Рис. 6.37. Принципиальная схема оконечного каскада УПЧ.

Транзистор выбирают из условия обеспечения необходимого напряжения на детекторе.

Необходимое затухание контура d_эк:

(6.107)

Параметр а, определяющий стабильность формы АЧХ:

(6.108)

Критические значения затухания контура d' и d'':

; ;	(6.109) (6.110)

где d – собственное затухание контура, обычно d=0,01.

Полученные значения d' и d'' сравнивают с d_эк.

а) Если d_эк≤ d', то коэффициент включения детектора в контур m₂ и эквивалентная емкость равны:

;	(6.111) (6.112)

б) Если d' < d_эк ≤ d'', то:

(6.113) (6.114)

в) Если d_эк ≥ d'', то:

;	(6.115) (6.116)

Для получения необходимой полосы пропускания параллельно контуру подключают шунтирующий резистор:

(6.117)

Величины g₁₁, g₂₂, C₁₁ и С₂₂, у₂₁ и у₁₂ находят, используя Y – параметры транзистора.

Величину сопротивления и емкости нагрузкиС_Н берут из расчета детектора или предварительно задаются: R_Н ≈ 1кОм, С_Н ≈ 10пФ.

Чаще всего коэффициент включения m₁ = 1.

Параметры контура определяют по формулам:

;	(6.118) (6.119)

где С_М = (3÷5)пФ – емкость монтажа.

Коэффициент усиления оконечного каскада:

(6.120)

Коэффициент устойчивого усиления:

(6.121)

Если К_ок > К_уст, то каскад неустойчив, следует взять другой транзистор или перейти к каскодной схеме [1,3].

Элементы, определяющие режим работы транзистора по постоянному току, а также емкости разделительных конденсаторов, рассчитывают, так же как и при расчете апериодических каскадов.

Широкополосный каскад УПЧ на микросхемах

Применение интегральных микросхем (ИМС) в УПЧ упрощает его разработку, настройку и сокращает габариты. Ввиду высокой промежуточной частоты в приемниках СВЧ (f_п≈30МГц÷200МГц) при выборе ИМС для широкополосного усилителя одними из основных параметров являются рабочая частота и коэффициент усиления микросхемы.

Верхние граничные частоты интегральных микросхем широкого применения до: 150МГц (полупроводниковые (серия 175)), 200МГц (гибридно-пленочные (серия 235)) и 2ГГц (микросхемы последних разработок).

Потенциальные частотные возможности микросхем зависят от разных причин: типа активных элементов, структуры пассивных цепей, топологии и т.д. Для получения необходимого усиления в широкополосных усилителях обычно применяются несколько каскадов. В связи с этим возникает необходимость во введении в состав усилителя разделительных и блокировочных конденсаторов, влияющих на верхние граничные частоты микросхемы.

Для повышения устойчивости работы и увеличения произведения коэффициента усиления на верхнюю граничную частоту (добротности) каскад целесообразно выполнять не на одном, а на нескольких транзисторах. Современное состояние технологии производства ИМС позволяет строить каскад, содержащий от двух до четырех транзисторов. Транзисторы могут соединяться между собой различным способом и изготавливаться в одном кристалле полупроводника, образуя транзисторную микросборку (монолитные схемы). В этом случае общее количество транзисторов в одном кристалле может быть довольно большим, но это не противоречит принципу интеграции и не создает заметных трудностей с точки зрения, как схемотехники, так и конструкции усилителя.

В каскадах УПЧ могут применяться ИМС широкополосных усилителей и ИМС в виде многофункциональных устройств.

ИМС широкополосных усилителей предназначен только для усиления радиочастотных сигналов. Параметры и схемы включения ИМС некоторых широкополосных усилителей последних разработок приведены в таблице П2.2.

Микросхема А1163А, Б – кремниевый монолитный широкополосный усилитель. Параметры и схема включения приведены в таблице П2.2.

Принципиальная электрическая схема ИМС показана на рис. 6.38.

Рис. 6.38. Принципиальная схема микросхемы А1163А, Б.

Микросхема М421123 – монолитный интегральный усилитель на основе арсениде галлия. Может использоваться в качестве оконечного каскада УПЧ. Параметры приведены в таблице П2.2. Схема включения показана на рис. 6.39. Элементы схемы: L=10мГн, С1÷С₄=3300 пФ

Рис.6.39. Схема включения микросхемы М421123.

Микросхема М421116 – монолитный интегральный широкополосный усилитель. Параметры и схема включения приведены в таблице П2.2.

Принципиальная электрическая схема усилителя показана на рис. 6.40а. Амплитудно-частотная характеристика усилителя показана на рис.6.40б. При необходимости изменения коэффициента усиления к выводу 3 вместо корректирующей цепочки RC можно подключить выход АРУ. Микросхема может использоваться в качестве оконечного каскада УПЧ и как регулируемый усилитель.

а) б)

Рис. 6.40.Принципиальная схема (а) и

АЧХ (б) микросхемы М421116.

Микросхема М421104 – монолитный интегральный широкополосный усилитель.

Параметры и схема включения приведены в таблице П2.2.

Принципиальная электрическая схема усилителя приведена на рис. 6.41а, амплитудно-частотная характеристика на рис.6.41б.

Напряжение АРУ подключается к выводам 9 или 8. При отсутствии регулировки усиления рекомендуется к выводу 9 подключить корректирующую последовательную RC – цепочку (R=15 Ом, С=1пФ).

а) б)

Рис. 6.41.Принципиальная схема (а) и

АЧХ (б) микросхемы М421104.

Микросхема 401УВ3 применяется в качестве малошумящего широкополосного усилителя.

Основные параметры: диапазон рабочих частот от 50 МГц до 600 МГц; коэффициент усиления по напряжению 20 дБ; коэффициент шума около 2,5 дБ; напряжение питания Е_п = + 6 В; потребляемый ток i_п = 20 мА.

На рис. 6.42а приведена АЧХ микросхемы, на рис. 6.42б показана ее амплитудная характеристика.

а) б)

Рис. 6.42.АЧХ (а) и амплитудная характеристика(б)

микросхемы 401УВ3.

Зависимость коэффициента шума N_ш микросхемы от частоты и напряжения питания показана на рис. 6.43а и рис. 6.43б соответственно.

а) б)

Рис. 6.43.Зависимость коэффициента шума микросхемы 401УВ3

от частоты и напряжения питания.

Включение микросхемы 401УВ3 в цепь показано на рис. 6.44.

Рис. 6.44. Схема включения микросхемы 401УВ3 в цепь.

Основой многих типов многофункциональных аналоговых ИМС [24] является дифференциальный усилитель (ДУ), принципиальная схема которого приведена на рис. 6.45.

Рис. 6.45. Принципиальная схема дифференциального усилителя.

Усилитель состоит из дифференциального каскада на транзисторах Т₁ и Т₂ с нагрузочными резисторами R₁ и R₂ и токопитающего каскада на транзисторе Т₃, выполняющего роль генератора тока для эмиттерной цепи транзисторов Т₁ и Т₂. Входные сигналы могут подаваться на дифференциальный (Вх 1 и Вх 2) и токопитающий (Вх 3 и Вх 4) каскады.

Источник входного напряжения может включаться как между Вх1 и Вх2 (симметричный вход, при этом оба полюса источника сигнала должны быть либо изолированы от общей точки схемы, либо источник сигнала должен иметь симметричный выход), так и между общей точкой и Вх1 или Вх2 (несимметричный вход, при этом неиспользуемый вход соединяется с общей точкой). На Вх3 или Вх4 напряжение подается относительно общей точки. Источник сигнала с двумя изолированными полюсами может быть подключен и также между Вх3 и Вх4. Выходное напряжение схемы может сниматься между Вых1 и Вых2 (симметричный выход) или с любого из них относительно общей точки (несимметричный выход). Вых1 является инвертирующим для Вх1 и неинвертирующим для Вх2; Вых2 – инвертирующим для Вх2 и неинвертирующим для Вх1.

Сравнительно большое число входов и выходов позволяет легко согласовывать ДУ с другими каскадами и обеспечивает широкие возможности комбинирования отрицательных и положительных обратных связей для получения различных функциональных возможностей схемы.

Токопитающий каскад на транзисторе Т₃ является генератором постоянного тока I₀. Как видно из рис. 6.45 сумма эмиттерных токов транзисторов Т₁ и Т₂ равна току I₀:

Iэ1 + Iэ2 = I0

(6.122)

Дифференциальное входное напряжение ДУ:

Uдифф = Uбэ1 – Uбэ2 = Uвх1 – Uвх2

(6.123)

Передаточной характеристикой ДУ называют зависимость коллекторного тока транзистора Т₁(I_k1) или транзистора Т₂(I_k2) от дифференциального входного напряжения U_дифф (рис. 6.46):

Iki = f(Uдифф); (i = 1,2)

(6.124)

Наклон передаточных характеристик определяет крутизну ДУ:

(i = 1,2,)

(6.125)

Индексами i=1,2 обозначены параметры дифференциального каскада на транзисторах Т₁ и Т₂; φ_к – контактная разность потенциалов (φ_к ≈ 25 мВ); α– коэффициент передачи по току.

U_дифф/φ_К

I_k1/аI₀

I_k2/аI₀

Рис. 6.46. Передаточная характеристика ДУ.

ДУ обладает следующими свойствами:

1. При U_дифф = 0 транзисторы Т₁ и Т₂ сбалансированы по току, т.е. через каждый транзистор протекает половина тока I₀. Если сопротивления коллекторных нагрузок одинаковы (R₁ = R₂), то потенциалы коллекторов равны и симметричное выходное напряжение постоянного тока равно нулю.

2. Крутизна передаточных характеристик зависит от величины питающего тока I₀. Максимальная крутизна при любом значении I₀ cсоответствует напряжению U_дифф = 0. Регулируя ток I₀ можно управлять усилением и крутизной ДУ и использовать ИМС в качестве регулируемого усилителя, смесителя или детектора.

3. Переменные напряжения на коллекторных нагрузках дифференциального каскада противофазны. Крутизна ДУ при симметричном выходе в два раза больше, чем при несимметричном.

4. Когда разностное входное напряжение превышает по абсолютной величине 4φ_к (φ_к=0,025В – контактная разность потенциала) дифференциаль- ный каскад переходит в режим насыщения: коллекторный ток одного транзистора становится равным нулю (область отсечки коллекторного тока). Дальнейшее увеличение входного напряжения не изменяет величину выходного. Это свойство позволяет использовать ДУ в качестве амплитудного ограничителя сигналов, а также применять его в логических и импульсных схемах.

5. Сравнительно узкий линейный участок передаточных характеристик не позволяет применять ДУ для усиления без искажений сигналов с амплитудой выше 50 мВ. Этот недостаток легко устраняется введением отрицательной обратной связи, например, с помощью дополнительных резисторов R_э1 и R_э2 в цепях эмиттеров транзисторов Т₁ и Т₂.

6. При использовании ДУ в качестве выходного усилителя, работающего с большим уровнем сигналов, кроме введения отрицательных обратных связей необходимо обеспечить его высокую нагрузочную способность. Это достигается путем применения на выходе дополнительного эмиттерного повторителя.

Интегральную микросхему ДУ можно использовать для создания усилителей с различными характеристиками, изменяя коммутацию внешних выводов и применяя различные способы подключения источника усиливаемых сигналов и внешней нагрузки. В отдельных случаях к схеме можно подключать дополнительные навесные элементы.

Функциональные возможности ДУ:

I. Усилитель радиосигналов.

Симметричный вход – симметричный выход

Входное напряжение подается между клеммами Вх1 и Вх2, при этом оба полюса источника сигнала должны быть либо изолированы от общей точки схемы (земли), либо источник сигнала должен иметь симметричный выход. Внешняя нагрузка включается между клеммами Вых1 и Вых2.

Коэффициент усиления определяется по формуле

,

(6.126)

где S – крутизна характеристики ДУ;

R_Н – сопротивление нагрузки.

Если R_Н = ∞, то коэффициент усиления равен

,

(6.127)

где К₁ – коэффициент усиления схемы с несимметричным выходом.

Симметричным входом и выходом обладают балансный смеситель, а также схемы с трансформаторными межкаскадными связями.

Симметричный вход – несимметричный выход

Входное напряжение подается между клеммами Вх1 – Вх2. При этом оба полюса источника сигнала должны быть изолированы от общей точки схемы (земли), либо источник сигнала должен иметь симметричный выход.

Внешняя нагрузка включается между клеммой Вых1 и общей точкой (землей) или между клеммой Вых2 и общей точкой. Коэффициент усиления по Вых1 находится по формуле:

;

(6.128)

Коэффициент усиления по Вых2 находится по формуле:

,

(6.129)

где S₁ и S₂ – крутизна передаточных характеристик транзисторов Т1 и Т2;

R_H1 и R_H2 – сопротивления нагрузки на Вых1 и Вых2 соответственно.

При этом сигналы на Вых1 и Вых2 противофазны.

Несимметричный вход – несимметричный выход

При этом входное напряжение подается на базу транзистора Т1 (или транзистора Т2) относительно общей точки (земли). Выходное напряжение снимается с коллектора этого же транзистора. База транзистора Т2 (или транзистора Т1) через резистор R4 (или R3) соединена с общей точкой.

Коэффициент усиления по Вых1 находится по формуле:

(6.130)

Коэффициент усиления по Вых2 находится по формуле:

,

(6.131)

где S^/₁ и S^/₂ – крутизна передаточной характеристики при несимметричном выходе. Обычно

II. Каскодный усилитель:

При подаче усиливаемого сигнала на Вх3 токопитающего каскада схема ДУ работает как каскодный усилитель типа ОЭ–ОБ. Базы транзисторов Т1 и Т2 должны быть заземлены по высокой частоте (к Вх1 и Вх2 подсоединяются дополнительные емкости).

Выходное напряжение снимается с Вых1 или Вых2 несимметрично.

Коэффициент передачи усилителя по напряжению:

; ,

(6.132)

где S₃ – крутизна передаточных характеристик ДУ (для данного включения можно считать );

R_нi – сопротивление нагрузки на Вых1 (i=1) или Вых2 (i=2).

Входное сопротивление каскодного усилителя определяется в основном сопротивлениями резисторов делителя R5 и R6:.

(6.133)

Выходное сопротивление то же, что и для ДУ с несимметричным выходом:

(6.134)

Каскодный режим характеризуется лучшей устойчивостью, лучшей развязкой входных и выходных цепей и более широким динамическим диапазоном входного сигнала, достигнутым ценой уменьшения коэффициента усиления.

III. Усилитель с регулируемым коэффициентом усиления.

Регулирование коэффициента усиления УРЧ или УПЧ в случае применения АРУ может осуществляться изменением напряжения смещения между базами транзисторов Т1 и Т2, либо изменением величины питающего тока I₀.

Рис. 6.47. Принципиальная схема первого вида усилителя с регулируемым

коэффициентом усиления.

На рис. 6.47 приведена схема усилителя, в котором коэффициент усиления регулируется с помощью управляющего напряжения постоянного тока U_упр., подаваемого на базу транзистора Т1.

Коэффициент усиления по Вых1 и Вых2 определяется выражением:

(i=1,2),

(6.135)

где ;

S₃ и R_нi – крутизна передаточных характеристик ДУ и сопротивление нагрузки.

Изменение управляющего напряжения приводит к одинаковым по абсолютной величине, но противоположным по знаку изменениям коэффициентов усиления.

При этом сумма коэффициентов усиления по обоим выходам остается постоянной К₁+ К₂ =1.

Коэффициенты усиления схемы по первому и второму выходам в этом случае линейно зависят от управляющего напряжения лишь в небольших пределах:

– 25 мВ ≤ U_упр ≤ 25 мВ

Схема может быть использована в усилителях, где требуется изменение коэффициента усиления в небольших пределах, например, в УРЧ или в многокаскадных регулируемых УПЧ.

Расширение линейного участка характеристики управления может быть достигнуто введением в схему отрицательной обратной связи по управляющему напряжению.

Рис. 6.48. Рис. Принципиальная схема второго вида усилителя

с регулируемым коэффициентом усиления.

На рис.6.48 приведена схема усилителя с регулируемым коэффициентом усиления, в которой напряжение обратной связи с выхода эмиттерного повторителя на транзисторе Т4 подается на вход транзистора Т2 через делитель R4, R8. Для исключения обратной связи на частоте усиливаемого сигнала резистор R4 шунтируется конденсатором С1.

Коэффициент усиления схемы рис. 6.47 определяется соотношением

; ,	(6.136) (6.137)

где К_ЭП – коэффициент передачи эмиттерного повторителя Т4;

–сопротивление нагрузки каскада на Т2;

R_вх4 – входное сопротивление эмиттерного повторителя;

φ_к = 25 мВ;

–крутизна;

U_cм = f (U_упр – U_упр0) – сложная функция управляющего напряжения U_упр;

U_упр0 – величина управляющего напряжения при U_см =0.

а) б)

Рис. 6.49. Зависимости U_упр0(γ) (а) и К/К_макс(U_упр- U_упр0) (б).

На графиках рис.6.49а приведена зависимость U_упр0 от параметра обратной связи при различных значениях токаI₀ токозадающего каскада.

На графиках рис. 6.49б дана зависимость относительного коэффициента схемы от управляющего напряжения.

Используя совместно графики рис. 6.49а и рис. 6.49б можно определить коэффициент усиления схемы рис. 6.47 при различных значениях управляющего напряжения U_упр и параметра γ.

При регулировании коэффициента усиления усилителя путём изменения тока I₀ управляющее напряжение подается на вход токопитающего каскада Вх3, а входной сигнал – на базы транзисторов дифференциальной пары (рис. 6.45).

Как вход, так и выход могут быть симметричными или несимметричными.

Управление коэффициентом усиления основано на зависимости крутизны передаточной характеристики ДУ от величины тока I₀.

Эквивалентная схема токопитающего каскада с источником управляющего напряжения приведена на рис. 6.50.

Рис. 6.50. Эквивалентная схема токопитающего каскада

с источником управляющего напряжения.

Коэффициент усиления схемы линейно зависит от управляющего напряжения:

(i= 1,2,)

(6.138)

где ;

Е_у – управляющее напряжение;

U_бэ3 ≈ U_д1;

К_i(0) (i=1,2) – коэффициенты усиления схемы при Е_упр=0.

Сравнивая рассмотренные способы регулирования коэффициента усиления, можно сделать следующие выводы:

1. При малой величине управляющего напряжения его целесообразно подавать на базу одного из транзисторов дифференциальной пары. Однако при этом зависимость коэффициента усиления от управляющего напряжения получается нелинейной.

2. Для регулирования коэффициента усиления по линейному закону управляющее напряжение нужно подавать либо в цепь базы токопитающего каскада, либо на дифференциальной вход схемы, в которой используется глубокая обратная связь по управляющему напряжению.

IV. Усилитель – ограничитель.

Особенностью схемы ДУ является сильная зависимость коэффициента передачи от величины входного сигнала.

На рис.6.51 приведен график нормированной зависимости амплитуды первой гармоники выходного напряжения от относительной амплитуды входного сигнала:

	(6.139)

U_вхм /φ_к

Рис. 6.51.Зависимость коэффициента передачи ДУ

от величины входного сигнала.

Как видно из рис.6.51 ограничение выходного напряжения практически наступает при U_вхм ≈5φ_к из-за нелинейности передаточной характеристики ДУ. Эта особенность позволяет использовать ДУ в качестве усилителя–ограничителя.

Основными параметрами ограничителя являются верхний и нижний пороги ограничения по входному сигналу, а так же уровни ограничения выходного напряжения.

Пороги ограничения могут быть определены исходя из минимального и максимального значений коллекторных токов транзисторов Т1 и Т2.

Из анализа передаточной характеристики ДУ следует, что

при .

Поэтому верхний и нижний пороги ограничения соответственно равны

;

Верхний уровень ограничения выходного напряжения U_вых.в определяется при закрытом транзисторе, с коллектора которого снимается выходное напряжение, а нижний уровень ограничения U_вых.н – при закрытом состоянии другого транзистора дифференциального каскада.

Если выходное напряжение снимается с коллектора транзистора Т1, то

U_вых.в≈Е₁;

U_вых.н≈ Е₁- αI₀R₁.

Максимальный размах выходного напряжения при несимметричном выходе:

Uвых1= Uвых.в - Uвых.н = αI0R1

(6.140)

А при симметричном выходе

Uвых1-2 = 2∙ αI0R1

(6.141)

При использовании усилителей–ограничителей для построения многокаскадных широкодиапазонных усилителей, например, логарифмичес- ких усилителей, должна быть обязательно учтена зависимость фазового сдвига выходного сигнала от интенсивности усиливаемого сигнала или фазоамплитудная характеристика.

Основные причины нестабильности фазового сдвига ∆φ в нелинейном усилителе при изменении входного сигнала в большом динамическом диапазоне:

– изменение внутренних параметров транзисторов при переходе от режима усиления слабых сигналов к нелинейному режиму усиления сильных сигналов;

– изменение внешних параметров транзистора (входной и выходной проводимости), приводящее к изменению эквивалентных параметров цепей межкаскадной связи;

– одновременное наличие линейных и нелинейных искажений в каскадах усилителя.

В связи с этим для построения многокаскадных усилителей-ограничителей, применяемых в усилителях с широким динамическим диапазоном рекомендуется использовать в ИМС транзисторы с f_г ≥ 20f_c [25].

Входное сопротивление ДУ как с симметричным, так и с несимметричным входом примерно одинаково и может быть рассчитано по формуле [24]:

(6.142)

В режиме малого сигнала при U_m< φ_k и по формуле:

(6.143)

В режиме большого сигнала при U_м > 5φ_к

Выходное сопротивление ДУ при несимметричном выходе:

Rвых1≈ R1 и Rвых2 ≈ R2

(6.144)

Выходное сопротивление при симметричном выходе:

Rвых1-2 ≈ R1 + R2

6.145)

Рассмотрим некоторые типы многофункциональных ИМС.

ИМС М421103 - широкополосный дифференциальный усилитель в монолитном интегральном исполнении. Параметры и схема включения приведены в таблице П2.2.

На рис.6.52 приведена принципиальная электрическая схема ИМС М421103.

Рис. 6.52.Принципиальная схема ИМС М421103.

Рекомендуемый эксплуатационный режим работы: напряжение питания ±5 В; допустимая нестабильность источников питания ±3%; входное напряжение ± 0,075 В; внешняя нагрузка 50 Ом.

Назначение контактов: 2,6 – вход; 3,5 – смещение; 8,14 –«+» источника питания; 9,13 – выход; 10 – регулировка тока потребления; 11 – «–» источника питания; 1,4,7,12 – подлежат заземлению.

ИМС 1УС752 - дифференциальный усилитель. Каскад является многофункциональным.

На рис. 6.53 изображена принципиальная схема ИМС 1УС752.

Основу усилителя составляют транзисторы Т2 и Т4 с эмиттерной связью. На транзисторах Т1 и Т3 могут быть построены эмиттерные повторители (входные и выходные).

Каскад оформлен в корпусе 401.14 – 3.

Основные параметры каскада: максимальная частота входного сигнала в режиме усиления до 80 МГц; крутизна не менее 10 мА/В; входное сопротивление не менее 3,5 кОм; напряжение питания + 6В.

Рис. 6.53. Принципиальная схема ИМС 1УС752.

На рис. 6.54а показана схема включения микросхемы 1УС752 при использовании ее в качестве регулируемого усилителя. На рис. 6.54б представлены результаты экспериментальных исследований коэффициента усиления микросхемы от управляющего напряжения E_У [24].

а) б)

Рис.6.54. Схема включения (а) и зависимость коэффициента усиления от управляющего напряжения (б) ИМС 1УС752 (регулируемый усилитель).

Схема включения микросхемы 1УС752 при работе ее в качестве усилителя – ограничителя приведена на рис. 6.55.

Рис.6.55. Схема включения ИМС 1УС752 (усилитель-ограничитель).

ИМС К1УС754 - дифференциальный усилитель. Принципиальная схема ИМС К1УС754 приведена на рис. 6.56. Основные параметры каскада: верхняя граничная частота в режиме усиления 150 МГц; входное сопротивление более 2 кОм; крутизна 10 мА/В; напряжение питания + 6,3 В; потребляемый ток 3 мА.

Рис.6.56. Принципиальная схема ИМС К1УС754.

На рис. 6.57 приведена схема включения ИМС К1УС754 при работе ее в качестве усилителя – ограничителя.

Рис.6.57. Схема включения ИМС К1УС754 (усилитель-ограничитель).

ИМС 2УС357, принципиальная схема которой показана на рис. 6.58 содержит три транзистора, из которых Т1 и Т2 образуют дифференциальную пару. Каскад на транзисторе Т3 является многоцелевым и, в частности может быть использован как развязывающий эмиттерный повторитель.

Рис.6.58. Принципиальная схема ИМС 2УС357.

Основные параметры каскада: диапазон рабочих частот ИМС 0,1÷100 МГц; крутизна около 5÷10 мА/В; коэффициент усиления около 100; напряжение питания + 6,3 В; входное сопротивление не менее 2 кОм; выходное сопротивление 10 кОм; входная емкость не более 20 пФ; выходная емкость не более 15 пФ.

Первый каскад дифференциального усилителя включен по схеме с ОК с целью увеличения входного сопротивления, а второй по схеме с ОБ. Смещение на базах транзисторов осуществляется термозависимыми цепочками, на одну из которых через вывод 4 подается регулирующее напряжение от АРУ. Глубина регулировки 46 дБ.

Регулировочные характеристики приведены на рис. 6.59а, б [9].

а) б)

Рис.6.59. Регулировочные характеристики ИМС 2УС357.

При типовом включении ИМС «плюс» источника питания подключается к выводу 6, «минус» – заземляется, сигнал подается на вывод 1 или 2, резонансная система подключается между выводами 5 и 8, вывод 3 заземляется. Выводы 9, 10, 11 подключаются к соответствующим точкам схемы в зависимости от назначения подсоединенного к ним транзистора.

Схема включения ИМС2УС357 при работе ее в качестве усилителя–ограничителя дана на рис.6.60.

Рис.6.60. Схема включения ИМС 2УС357 (усилитель-ограничитель).

ИМС Н174УВ4,применяется в качестве логарифмического усилителя. Основные параметры ИМС представлены в таблице П 2.3.

На рис. 6.61а и рис. 6.61б приведены АЧХ и ЛАХ микросхемы Н174УВ4 соответственно:

Рис.6.61. АЧХ (а) и ЛАХ (б) ИМС Н174УВ4.

На рис. 6.62 приведена ЛАХ пятикаскадного логарифмического усилителя на ИМС Н174УВ4.

Рис.6.62. ЛАХ пятикаскадного логарифмического

усилителя на ИМС Н174УВ4.

Принципиальная электрическая схема ИМС Н174УВ4 представлена на рис. 6.63.

Рис. 6.63. Принципиальная электрическая схема ИМС Н174УВ4.

На рис. 6.64 представлена схема включения ИМС Н174УВ4.

Рис. 6.64. Схема включения ИМС Н174УВ4.

Пример 6.9. Требуется рассчитать УПЧ многоканального приемника на ИМС.

Исходные данные:промежуточная частотаf_n=80МГц; ширина канала связиΔF=10МГц; избирательность по соседнему каналуS_ск=50дБ; расстройка по частоте соседнего каналаΔf_ск=10 МГц;количество каналов связиn=100; полоса пропусканияП=80кГц;развязка между частотами связи (избирательность по частному каналу)S_Ч=60дБ; коэффициент усиления УПЧК_УПЧ = 10⁵; коэффициент шума УПЧШ ≤ 10 дБ; необходимо предусмотреть регулировку усиления УПЧ с помощью АРУ.

1. Разбиваем тракт УПЧ на две части: широкополосную и узкополосную.

Коэффициент усиления УПЧ представим в виде (6.1):

КУПЧ = Кшир∙КЧРУ∙КУЗК

В качестве частотно-разделительного устройства применим ИМС М421124-1 (таблица П 2.3):

К_ЧРУ = 1.

2. Задаемся коэффициентом усиления узкополосной части УПЧ:

К_УЗК = 100.

Коэффициент усиления широкополосной части УПЧ находим по формуле (6.2):

3. Выбираем схему построения УПЧ с ФСИ.

Широкополосную часть УПЧ проектируем по схеме рис. 6.1.

Полосовой фильтр ФСИ₁с относительной полосой:

выполним на индуктивно-емкостных LC-элементах.

Задаемся коэффициентом усиления каскада с ФСИ₁:К_ФСИ1=5и коэффициентом усиления широкополосного каскадаК_О=10.

Количество широкополосных каскадов определяем по формуле (6.4):

Округляем число каскадов до n = 2.

4. В качестве усилительного элемента в широкополосной и узкополосной частях УПЧ используем микросхему М421104 (таблица П 2.2) с необходимым по заданию коэффициентом шума N_ш ≤ 10 дБ. Основные характеристики ИМС: диапазон рабочих частот1÷700 МГц; коэффициент усиления по напряжению8; коэффициент шума7,5 дБ.

5. Считая, что смеситель приемника диодный, на входе УПЧ используем в качестве фильтра Ф₁параллельный колебательный контур с полосой пропускания∆F = 10 МГци добротностью:

Волновое сопротивление контура возьмем равным ρ_к=100Ом.

Эквивалентное резонансное сопротивление контура равно:

Ввиду того, что смеситель и выбранная ИМС согласованы в тракте с волновым сопротивлением Z₀=50Ом, коэффициенты включения смесителя и ИМС к контуру “p” выберем из условия согласования по формуле [10]:

Для смесителя , гдеL – индуктивность контура.

Для ИМС:

,

где C – емкость контура (рис. 6.65).

6. В широкополосной части УПЧ каскад с ФСИ₁ расположим в начале УПЧ (после входного контура Ф₁).

Рис. 6.65. Электрическая схема фильтра.

Расчет ФСИ₁ приведен в примере 6.2.

Потери ФСИ₁ в полосе пропускания равны 2,17 дБ (К_ф1=0,625). Фильтр рассчитан на нагрузку на входе 200кОм, на выходе 20 Ом.

Выбранная ИМС согласована в пятидесятиомном тракте, поэтому на входе и выходе ФСИ₁ необходимы согласующие трансформаторы Т1 и Т2 (рис. 6.4). При необходимости ФСИ₁ может быть пересчитан на реальную нагрузку на входе и выходе 50 Ом. В этом случае согласующие трансформаторы будут отсутствовать.

7. Коэффициент усиления каскада с ФСИ₁ определяем по формуле:

8. Коэффициент усиления широкополосного УПЧ (6.3) равен:

9. Узкополосную часть УПЧ проектируем по схеме рис. 6.2.

Относительная полоса пропускания узкополосного ФСИ₂ равна:

10. В соответствии с таблицей 6.1 для реализации узкополосного ФСИ₂ выбираем монолитный пьезоэлектрический фильтр (МПФ).

В качестве широкополосного каскада берем ту же ИМС типа М421104 с коэффициентом усиления K₀ = 8.

Количество широкополосных каскадов находим по формуле (6.5):

Округляем n=3.

11. Расчет МПФ приведен в примере 6.8. Потери фильтра в полосе пропускания 0,21неп, что соответствует коэффициенту передачи K_ф2=0.66.

Фильтр рассчитан на сопротивление нагрузки на входе и выходе R_н=30кОм. Поскольку ФСИ₂ устанавливается с ИМС, согласованным на входе и выходе с пятидесятиомным трактом, необходимы согласующие трансформаторы на входе и выходе фильтра.

12. Коэффициент усиления узкополосного УПЧ равен:

13. Коэффициент усиления всего УПЧ (6.1) равен:

,

что соответствует заданному коэффициенту усиления с небольшим запасом.

14. Если детектор приемника должен работать в линейном режиме (напряжение на детекторе от 0.5 В и более) целесообразно выходным каскадом УПЧ применить более мощную ИМС, например, типа К1432УД6 (таблица П 2.3).

15. Сигнал на вход АРУ поступает с выходного каскада широкополосного УПЧ (DA3) через разъем Х1. С выхода АРУ напряжение регулировки поступает на к. 8 ИМС DA2 и DA3.

16. Принципиальная электрическая схема разработанного УПЧ вместе с детектором и УНЧ приведена на рис. 6.66.

Рис.6.66. Принципиальная электрическая схема УПЧ

вместе с детектором и УНЧ