Учебники / УПиОС Плаксиенко_2004
.pdf
Устройства приема и обработки сигналов
На основании теоремы об эквивалентном генераторе эквивалентную схему рис. 4.21,а преобразуем к виду, показанному на рис. 4.21,б, где Е1 находится как напряжение холостого хода между точками 22':
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Y21U1 |
|
Y21U1 |
. |
E1 |
G22 |
j CВЫХ |
j CВЫХ |
|||
|
|
|
||||
Так как G22<< CВЫХ то проводимостью G22 пренебрегаем. Ток в катушке LСВ выражается следующим образом
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
E1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Y21U1 |
|
|
|
|
, |
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
ICB |
|
j LCB 1 / j CВЫХ |
|
|
|
|
( / СВ )2 |
|
|
|
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|||||||||||||||||||||||
где |
с в |
|
|
1 |
|
|
|
– резонансная частота контура связи. |
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
Lс вСвых |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
В контуре наводится ЭДС E2=j M IСВ. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
|
При резонансе напряжение на контуре равно |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Y210 |
U1ω0MQЭ |
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
U0 |
E20 |
Qэ |
IСВ |
ω0MQЭ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
. |
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
2 |
|
|
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(ω0 /ωСВ |
|
|
|
|
|||||||
|
|
Резонансный коэффициент передачи |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||
K U ВЫХ |
|
nU0 |
|
|
|
|
MQЭ |
|
|
|
|
|
|
|
|
Y210 |
|
(M / LК )RОЭ . |
||||||||||||||||||||
|
|
n |
Y210 |
|
|
|
|
|
|
n |
|
|||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
U1 |
|
|
U1 |
|
1 ( 0 / СВ )2 |
|
|
|
|
|
1 ( 0 / СВ )2 |
|
|
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||
|
|
Если обозначить |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
m( 0 ) |
|
|
(M / LК ) |
|
, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
( |
0 |
/ |
|
|
|
)2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
с в |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
то можно записать
K0 mn Y21 R ОЭ .
Данное выражение совпадает с ранее полученным выражением для резонансного коэффициента передачи усилителя. В зависимости от соотношения 0/ СВ возможны различные режимы работы УРЧ.
101
Учебное пособие
1.При 2СВ>> 02, то есть m=M/ LK.
Зависимость резонансного коэффициента усиления от частоты также как при двойной автотрансформаторной связи
К0 n |
M |
|
|
|
R э nM 0 |
|
|
|
, |
|
|
|
|
||||||
Lk |
Y21 |
|
|
Y21 |
|
Qэ |
|||
|
0 |
|
|
|
0 |
|
|
||
т.е. К0 возрастает с увеличением частоты. 2. При 2СВ<< 02
|
M |
|
2 |
|
|
|
|
|
|||||
m |
|
|
|
|
|
|
с в |
, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
L |
k |
|
2 |
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
||||
K0 n |
|
M |
|
|
|
|
с2 |
в |
|
||||
|
|
|
|
||||||||||
L |
|
|
Y210 |
|
R э |
2 |
|
||||||
|
|
|
|
|
k |
0 |
|
||||||
Если | Y21 | = S = const и QЭ = const, то
|
|
nMSQ |
2 |
|
const |
. |
|
К0 |
|
э |
с в |
|
|
||
0 |
|
|
0 |
|
|||
|
|
|
|
|
|
||
Если учесть зависимость | Y21 | от частоты, то имеем
К0 |
|
|
nMSQэ 2с в , |
|||
|
|
|
|
|||
0 |
1 ( 0 / s )2 |
|||||
|
|
|||||
где QЭ определяется из выражения
1 d k m2 0 Lk G22 n 2 0 Lk Cн .
Qэ
В усилителях на транзисторах возможно применение внутриемкостной связи контура со входом следующего каскада. На рис. 4.22 приведен вариант схемы УРЧ с комбинированной внутриемкостной (ССВ) и трансформаторной (LСВ) связью контура со входом следующего каскада.
102
Устройства приема и обработки сигналов
|
|
|
Cк |
Cp |
VT1 |
Lсв Lк |
VT2 |
RБ1 RБ2 |
Cф |
Rф |
|
||
|
|
CСВ |
Rэ |
Cэ |
RБ1 RБ2 |
|
||
|
|
ЕП |
|
Рис. 4.22 |
|
Внутриемкостная связь обладает следующими особенностями: |
||
-высокая селективность контура на верхнем конце диапазона благодаря уменьшению коэффициента включения n, а следовательно, уменьшению его шунтирования с увеличением частоты настройки;
-возможность компенсации увеличения К0 с ростом частоты за счет
уменьшения n.
Комбинированная связь обеспечивает постоянство или некоторое увеличение добротности с ростом частоты. При СВ> 0 К0 в диапазоне меняется мало.
4.8. Особенности малошумящих усилителей
Известно, что в радиовещательных ДВ, СВ, и КВ диапазонах основными являются внешние помехи. Напротив на частотах выше (20-30) МГц основными считаются внутренние шумы приемника – это диапазоны УКВ-вещания, телевидение и т.д.
Как отмечалось в 2.7.5, с точки зрения шумовых параметров особые требования предъявляются в приемнике к усилителям радиочастоты. Непрерывное развитие схемотехники и технологии производства радиоаппаратуры и ее компонентов привело к замене в большинстве случаев ламповых малошумящих усилителей (МШУ) полупроводниковыми на биполярных (БП) и полевых (ПТ) транзисторах.
Например, в усилителях, собранных по схеме с общим эмиттером (ОЭ), коэффициент усиления по току убывает с частотой быстрее, чем в усилителях по схеме с общей базой (ОБ). Произведение усиления по
103
Учебное пособие
мощности на полосу пропускания больше в схеме с ОБ. Схема с ОБ имеет большую стабильность параметров.
Взависимости от диапазона рабочих частот и требуемой полосы пропускания транзисторные усилители сверх высоких частот (СВЧ) выполняются как в коаксиальном, так и в полосковом исполнении. Серийно выпускаются СВЧ транзисторы на частоты до 4 ГГц и даже до 20 ГГц с коэффициентом шума около 4-6 дБ.
Вдиапазоне СВЧ находят применение предварительные малошумящие усилители: квантовые, параметрические, транзисторные, на лампах бегущей волны, усилители на туннельных диодах, причем самыми малошумящими являются квантовые усилители – мазеры. Последние три вида имеют сравнимые шумовые параметры.
Наряду с биполярными в усилителях СВЧ широко применяют полевые транзисторы с затвором типа барьера Шотки (ПТШ). При выборе транзисторов основными параметрами являются коэффициент усиления
по мощности КР на заданной частоте и коэффициент шума Ш, а также конструктивное оформление транзистора.
Ряд авторов полагают, что БТ по шумовым и усилительным свойствам приблизились к теоретическому пределу (граничная частота – 15 ГГц). В настоящее время наиболее перспективными для малошумящих усилителей СВЧ являются ПТШ, изготовляемые на основе арсенида галлия. На частотах выше (4-5) ГГц коэффициент шума ПТШ меньше, чем у лучших типов СВЧ ПТ. На частотах ниже (2-3) ГГц преимуществ по коэффициенту шума ПТШ перед БТ не имеет.
Серьезное влияние на характеристики СВЧ МШУ оказывает конструкция используемых транзисторов и всего усилителя, а также выбор цепей питания.
Усилители на ПТ работают до частот порядка 30 ГГц, имеют усиление 10-20 дБ и коэффициент шума 1,5-3. Арсенид-галлиевые ПТ при охлаждении до 20 К имеют шумовую температуру при частоте 10 ГГц порядка 30-40 К, а при частоте 20 ГГц – порядка 100 К.
Широкополосные транзисторные усилители СВЧ часто выполняют по балансной схеме. Они позволяют совместить режим максимального усиления и минимального шума, обладают широкой полосой пропускания, высокой стабильностью АЧХ и ФЧХ, повышенным динамическим диапазоном. Характеристики балансных усилителей менее критичны к разбросу параметров транзисторов.
Не балансные схемы усилителей требуют вдвое меньшего числа транзисторов, согласующих элементов, мощности питания и т.д. Часто первые один-два каскада многокаскадного усилителя строятся по небалансной схеме, поскольку в них могут быть использованы отобранные по
104
Устройства приема и обработки сигналов
коэффициенту шума транзисторы, а последующие, и особенно оконечные каскады, - по балансной схеме.
Лучшими показателями, особенно при работе в СВЧ-диапазоне, обладают параметрические усилители, использующие принцип регенеративного усиления.
4.9. Преселекторы приемников различного назначения
Структура преселектора современного приемника определяется его назначением и предъявляемыми к нему техническими требованиями. Известно, что преселектор реализует реальную чувствительность приемника и избирательности по комбинационным каналам. На практике к преселектору предъявляется так же требование обеспечения необходимого динамического диапазона сигнала, подаваемого на вход преобразователя частоты, то есть преселектор совместно с другими цепями и устройствами приемника должен реализовывать автоматическую регулировку усиления.
Реализация необходимой чувствительности определяется внутренними шумами приемника, что было показано выше. Реализация необходимой избирательности, в первую очередь по зеркальному и прямому каналам обеспечивается селективными элементами преселектора, включая фильтры-пробки. Важное значение имеет выбор промежуточной частоты супергетеродинного приемника. Так, в настоящее время, даже в вещательных приемниках применяется преобразование вверх, когда величина промежуточной частоты выше значения частоты сигнала.
Основной проблемой при приеме АМ сигналов является получение высокой избирательности и помехоустойчивости при значительной загрузке эфира. При этом преселектор (ВЦ и УРЧ) обеспечивают ослабление посторонних сигналов, достаточное для того, чтобы они не нарушали нормальной работы смесителя, то есть не создавали побочных каналов приема и перекрестной модуляции. Высокие требования предъявляются к автоматической регулировке усиления (АРУ). Система АРУ должна предотвратить возможность перегрузки смесителя и совместно с другими каскадами приемника (усилителем промежуточной частоты) поддерживать неизменным уровень сигнала на выходе при изменяющихся условиях приема, включая замирания.
Дальнейшее совершенствование тракта приема АМ сигналов связано с увеличением количества моточных изделий - катушек индуктивности, необходимое для улучшения избирательности и помехоустойчивости приема. В реальном всеволновом приемнике существенной является так же проблема переключения большого количества катушек индуктивно-
105
Учебное пособие
сти в ВЦ и УРЧ. Перспективным направлением является переход к так называемой "широкополосной преселекции" (ШП). В этом случае широкополосный преселектор состоит из ВЦ в виде входного фильтра нижних частот и УП. Фильтр нижних частот (ФНЧ) не перестраивается и пропускает все частоты диапазонов АМ, вплоть до коротковолнового, но подавляет более высокие частоты, на которых работают телевидение, УКВ радиовещание и служебные радиостанции. Если установить ряд переключающихся полосовых фильтров, рассчитанных на пропускание полосы частот, соответствующей принимаемому диапазону, то схема будет более помехоустойчивая, но и более сложная. Усилитель преселектора в такой схеме обычно широкополосный и не содержит селективных элементов.
Для защиты от зеркального канала в приемниках с ШП выбирается высокая промежуточная частота (например 24,975 КГц) с дальнейшим переходом на более низкую промежуточную частоту, то есть используются схемы с двойным преобразованием частоты.
При ШП реальная чувствительность приемника, при прочих равных условиях, остается такой же, как при узкополосной селекции (УРЧ). При этом динамический диапазон приемника с ШП должен быть шире на величину подавления преселектора на частоте мешающего сигнала. Это означает что для обеспечения равного качества динамический диапазон тракта высокой частоты приемника с ШП должен быть значительно шире тракта приемника с узкополосным преселектором.
Приемник с ШП не защищен от прохождения помехи по зеркальному каналу, если частота этой помехи находится в пределах полосы принимаемых частот, т.е. в полосе прозрачности преселектора. Поэтому обязательным условием для приемника с ШП следует считать использование инфрадинного приема, т.е. метода приема, при котором промежуточная частота располагается выше диапазона принимаемых частот. Использование инфрадинного приема позволяет вывести большое количество паразитных каналов за область прозрачности входного ФНЧ и, таким образом, обеспечить по ним высокую избирательность, даже превышающую избирательность обычного приемника с узкополосным преселектором.
Однако приемник с ШП остается незащищенным от комбинационных паразитных каналов приема, образующихся без участия гетеродина, за счет взаимодействия сильных приходящих сигналов. Для обеспечения защиты от этих паразитных каналов, кроме повышения линейности УП и смесителя, может быть использовано автоматическое регулирование усиления по помехе (АРУП). В отличии от обычной системы АРУ, когда усиление тракта изменяется в соответствии с изменением полезного сигнала, система АРУП управляет коэффициентом усиления высокочастот-
106
Устройства приема и обработки сигналов
ного тракта в зависимости от уровня поступающих мешающих напряжений или, в более простом случае, в зависимости от суммарного напряжения сигнала и помех на входе смесителя. Недостаток такого АРУ в том, что при слабом полезном сигнале прием может стать невозможным, хотя без АРУ прием был бы возможен с удовлетворительным качеством.
Структура узкополосного преселектора строится с учетом основных положений теории цепей и широкого применения сочетания двухконтурных и одноконтурных фильтров. В случае неперестраиваемых преселекторов применяют многоконтурные системы, а в случае перестраиваемых преселекторов количество контуров ограниченно конструктивными сложностями и проблемами сопряжения перестроек по диапазону.
Таким образом различают две основные структуры преселекторов - узкополосные и широкополосные. Более детально особенности широкополосных преселекторов будут рассмотрены в последующих частях пособия.
Выводы
1.УРЧ является обычно не только усилителем, но и полосовым фильтром.
2.УРЧ работает почти всегда в режимах малых сигналов (мВ), поэтому для анализа биполярный транзистор представляют схемой замещения в Y - параметрах.
3.Основным назначением УРЧ в супергетеродинном приемнике является борьба с зеркальным каналом (совместно с ВЦ) и уменьшение шум - фактора приемника.
4.Подбором коэффициентов включения m и n добиваются не только максимального коэффициента усиления, но и нужной полосы.
5.УРЧ чаще всего строятся по трансформаторной или автотрансформаторной схеме включения нагрузки. В случае трансформаторной схемы целесообразна нижняя настройка контура.
6.Наличие обратной проводимости Y12 может привести к неустой-
чивой работе УРЧ. Она состоит не в том, что УРЧ загенерирует, а в том, что начнет искажаться АЧХ входного устройства.
7. В высококачественных приемниках УРЧ должен допускать автоматическую регулировку усиления.
107
Учебное пособие
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1.Нарисуйте схему резонансного усилителя на ПТ.
2.Нарисуйте схему резонансного усилителя на БТ с частичным включением контура.
3.Нарисуйте обобщенную эквивалентную схему резонансного усилителя и определите коэффициент усиления.
4.При каких условиях достигается максимум коэффициента усиления в резонансном усилителе?
5.Как влияет ОС на свойства резонансных усилителей?
6.Определите условия устойчивой работы усилителя.
7.Какие существуют способы повышения устойчивости резонансных усилителей?
8.Нарисуйте каскодные схемы УРЧ: ОЭ - ОЭ, ОЭ - ОБ, ОИ -03, ОИ - ОБ.
9.От чего зависит коэффициент шума резонансного усилителя с ВЦ?
10.Как зависит резонансный коэффициент усиления от частоты в различных схемах резонансных усилителей (с автотрансформаторной связью, с трансформаторной)?
5.Преобразователи частоты
5.1. Общие принципы преобразования частоты
Преобразователем частоты будем называть устройство, осуществляющее перенос спектра радиосигнала из одной области частот в другую без изменения его структуры, следовательно, без изменения закона модуляции сигнала.
Преобразователь частоты (рис. 5.1) содержит смеситель СМ и вспомогательный генератор, называемый гетеродином Г. В состав преобразователя может входить фильтр Ф, необходимый для выделения полезного продукта преобразования.
В общем случае преобразование частоты можно рассматривать как результат перемножения напряжения сигнала
uC = UC cos( C t + C ) |
(5.1) |
и напряжения гетеродина |
|
uГ UГ cos( Г t Г ). |
(5.2) |
108 |
|
Устройства приема и обработки сигналов
ПЧ 
UK
UС fС |
|
СМ |
|
fK |
Ф |
UПРfПР |
|
|
|
||||||
|
|
||||||
|
|
||||||
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
UГfГ
Г
Рис. 5.1
Перемножить напряжения можно двумя способами: с помощью нелинейного элемента НЭ или с помощью линейной цепи с переменными параметрами (параметрическая цепь). В общем случае в результате преобразования двух напряжений на выходе смесителя появляется множество комбинационных составляющих напряжений с частотами
К k Г n C ,
где k и n - целые положительные числа.
Фильтр Ф выделяет напряжение одной из комбинационных частот, которая и принимается за промежуточную.
В результате на выходе фильтра формируется напряжение преобразованной частоты
uП КПUГUC cos |
( Пt П ) UП cos |
( Пt П ), |
(5.3) |
где КП - постоянный коэффициент, зависящий от параметров преобразователя.
Амплитуда, частота и фаза преобразованного напряжения имеют тот же закон изменения (закон модуляции), что и напряжение сигнала.
Преобразователь частоты характеризуется в основном теми же качественными показателями, что и усилитель радиочастоты.
5.2. Общая теория преобразования частоты
Рассмотрим основные положения общей теории преобразования частоты. Любой смеситель можно рассматривать как нелинейный шести-
109
Учебное пособие
полюсник (рис 5.2), на выходе которого включена избирательная нагрузка ZH, настроенная на промежуточную частоту.
1 |
i1 |
|
i2 |
2 |
|
|
|||
|
Uc |
НЭ |
Uп |
Zн |
1 |
|
|
|
2 |
Uг
3 3
Рис. 5.2
На входах шестиполюсника действуют напряжения сигнала, гетеродина и промежуточной частоты, соответственно (5.1), (5.2), (5.3).
Выходной ток смесителя i2 можно представить как функцию трех переменных
i2= ( uГ, uC, uП).
При нормальной работе смесителя напряжения uC и uП малы по сравнению с uГ и функцию можно разложить в ряд Тейлора по степеням
малости переменных uC |
и uП, |
ограничиваясь при этом тремя первыми |
|||||||
членами ряда |
|
|
|
|
φ(u Г ) u |
|
φ(u Г ) u |
|
|
i |
2 |
φ(u |
Г |
) |
C |
П |
. |
||
|
|
|
uС |
u П |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Здесь первое слагаемое представляет собой составляющую выходного тока, которая обусловлена действием uГ, при uC=uП≈0. Второе слагаемое характеризует приращение выходного тока, вызванное действием сигнала, а третье - реакция смесителя при действии на выходе напряжения промежуточной частоты.
Введём обозначения:
i |
Г |
φ (u |
Г |
); |
g |
21 |
φ(u Г ) |
; |
g |
22 |
φ(u Г ) |
, |
(5.4) |
|
|
|
|
u С |
|
|
u П |
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где g21 - мгновенное значение проводимости прямого действия для напряжения сигнала;
110