Лекция №11

ШУМЫ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЧАСТОТЫ.

Преобразователь является одним из первых каскадов приемника, а в РПрУ 3 и 4 класса он является первым, потому что от его шумов существенно зависит чувствительность РПрУ.

Источники шумов в ПЧ те же, что и в УРЧ – это тепловые шумы и шумы полупроводниковых приборов (транзистора, диода, ИМС).

Если входная проводимость ПЧ g_вх, а входное напряжение U₁, то мощность, потребляемая от источника, . Выходная мощность преобразователя . Тогда, с учетом, что K_ПР.=U₂/U₁

K_P=P_вых/P_вх=K_пр²(g₂/g_вх)

Пусть средний квадрат напряжения собственного шума преобразователя шума на его выходе:, тогда мощность собственного шума

.

Если от источника поступает шум мощностью P_ш.0.; то полная мощность

P_ш.вых. = Р_ш.0.K_p. + P_ш.пр. = Р_ш.0.K_p.+U²_ш.пр. g₂

Коэффициент шума преобразователя

Ш_пр.= Р_ш.вых./P_ш.0.K_p.=1+(U²_ш.пр.g₂ /P_ш.0.K_p.),

или с учетом K_p, следует Ш_пр.= 1+(U²_ш.пр.g_вх./ P_ш.0.K²_пр.).

Для УРЧ имеем Ш_у.= 1+(U²_ш.g_вх./ P_ш.0.K²_у.).

При близких значениях собственных шумов усилителя и преобразователя (U_ш.пр. и U_ш.), различие в коэффициенте шума связано с различием в K_у и К_пр.

Коэффициент усиления преобразователя примерно в 4 раза меньше, чем в режиме усиления. Отсюда следует, что коэффициент шума преобразователя значительно больше коэффициента шума усилителя.

Коэффициент шума преобразователя может также увеличиваться потому, что к обычным шумам электронного прибора могут добавляться шумы, попадающие в полосу преобразователя в результате преобразования (входных шумов и шумов гетеродина).

В приемниках высокого класса ПЧ предшествует УРЧ (1 или 2 каскада) с малым собственным шумом и большим коэффициентом усиления, что и определяет малые собственные шумы РПрУ в целом и, как следствие, высокую чувствительность РПрУ.

Шум в диодном ПЧ состоит из:

• теплового шума во входной цепи в полосе частот принимаемого сигнала, перенесенного в результате преобразования в полосу УПЧ.

g_к – проводимость потерь входного контура.

• тепловой шум входной цепи в полосе частот зеркального канала, перенесенной в полосу УПЧ.

• Теплового шума входной цепи преобразователя,

,

g_k2 – проводимость контура ПЧ,

g₂ – проводимость нагрузки ПЧ.

• шумовой тока диода, создающий шумовое напряжение в выходной цепи ПЧ.

Этот ток содержит также тепловую составляющую, но в основном определяется дробовым эффектом:

,

где I₀ – постоянная составляющая тока диода.

• шумовой ток диода, создающего напряжение шума во входной цепи в полосе частот сигнала и в полосе зеркального канала.

Для преобразователя с последующим усилителем (УПЧ)

Ш=Ш_пр+[(Ш_у-1)/К_р.пр.],

К_р.пр. и Ш_пр. – зависят от напряжения гетеродина (его амплитудного значения).

При малом Uг, Iд. мал Ш_пр.- мал, но и К_р.пр. мал, то Ш велик из-за второго слагаемого. С ростом Uг растут К_р.пр. и Ш_пр. Ш имеет свое минимальное значение, при каком-то Uг.

Шумы гетеродина также вносят свой вклад в шумы преобразователя. Они определяются стабильностью частоты гетеродина (флуктуирующие фазовые шумы) и стабильностью амплитуды Uг (частотной спектральной линии гетеродина, чем уже спектр гетеродина, тем меньше уровень шумов ПЧ).

На самостоятельную проработку §4.14 – § 4.18

Балансный диодный ПЧ.

U_С

а)

б)

В схеме а)Uг на V1 и V2 действует с одинаковой фазой, а Uс со сдвигом 180⁰. Следовательно, и токи i1 и i2 ПЧ в контуре L3 текут противофазно. U_ш.пр. пропорционально разности токов i_ш.1и i_ш.2, для шумовых токов промежуточной частоты, обусловленных шумом гетеродина.

В случае полной симметрии схемы i_ш1=i_ш.2 и совпадают по фазе, но текут в противоположных направлениях (навстречу друг другу), поэтому полностью компенсируют друг друга:

I_щ.пч. =I_ш.1 – I_ш.2=0

А сигнальные составляющие противофазные, потому на выходе (в первичной обмотке ТР2), токи промежуточной частоты складываются.

Во второй обмотки ТР1 токи гетеродина также компенсируют друг друга, благодаря чему нет излучения f_г в антенном контуре.

Схема б) имеет аналогичные со схемой а) свойства. Здесь составляющие токов гетеродина замыкаются через диоды V1 и V2 внутри контура, не ответвляясь в диагонали моста, поэтому Uг не проходят во входную и выходную цепи.

5. ДЕТЕКТОРЫ РАДИОСИГНАЛОВ

Виды детекторов и основные характеристики амплитудных детекторов

Детекторы преобразуют принимаемые модулированные сигналы в напряжение, соответствующее передаваемому сообщению. В радиовещательных приемниках это напряжение звуковой частоты.

В зависимости от вида модуляции различают: амплитудные, частотные и фазовые детекторы.

Спектр выходного колебания детектора лежит в области низких частот модуляции, а спектр на входе детектора лежит в области радиочастот.

Перенос спектра модулированного ВЧ колебания в область частот модуляции – детектирование – возможно только при использовании в детекторе нелинейного или параметрического элемента. В качестве нелинейного элемента в детекторах часто используют полупроводниковые диоды и транзисторы.

Входное АМ колебание, модулированное одним тоном :

U_вх. = U_m0 (1+mcost)cost (5.1)

На выходе детектора:

U_вых. = U_ cost (5.2)

Синхронное детектирование осуществляется путем умножения сигнала (5.1) на опорное колебание

u_оп = U_оп cost,

и выделении ФНЧ из выходного сигнала u_вых. = А (1+mcost)(0.5 + 0.5cos2t) передаваемого сообщения (5.2).

Синхронное детектирование – вид преобразования частоты.

К детектору предъявляются следующие требования: максимального коэффициента передачи, минимального уровня вносимых искажений, максимального входного сопротивления, минимального напряжения сигнальной (промежуточной) частоты.

В детекторе возможны нелинейные и линейные искажения сигнала. Нелинейные оцениваются коэффициентом гармоник

.

Линейные – обусловлены наличием в детекторе инерционных элементов – главным образом емкостей.

АМПЛИТУДНЫЕ ДЕТЕКТОРЫ

Амплитудные детекторы предназначены для демодуляцции АМ колебаний.

Основные показатели:

1. Крутизна детекторной характеристики определяет эффективность детектора как преобразователя входного сигнала. Зависимость U или I на выходе детектора от амплитуды входного сигнала – называется детекторной характеристикой. Линейная зависимость – характеризует идеальный детектор, работающий без искажений (рис. 5.2). Детекторная характеристика реального АД отличается от идеального – нелинейна. Однако существует область изменения амплитуды выходного сигнала, при которой детекторная характеристика практически линейна. Поэтому АД целесообразно характеризовать дифференциальным параметром – крутизной:

S_АД – безразмерная величина.

2. Входная проводимость АД

Y_вх. – существенно влияет на показатели усилителя, нагруженного детектором.

3. Коэффициент фильтрации

На выходе АД кроме напряжения, повторяющего закон модуляции U_, присутствует и напряжение, соответствующее спектру входного сигнала U_. Это напряжение дополнительно нагружает УНЧ и может привести к его самовозбуждению, следовательно, устранение U_ на выходе АД весьма желательно. Ослабление U_ оценивается коэффициентом фильтрации

К_ф = U_m / U_m, (U_m - на выходе АД).

ТИПЫ АД

В качестве НЭ используют диод или транзистор. Наибольшее применение находят диодные детекторы. Они просты и позволяют получить неискаженное детектирование в широком диапазоне уровней сигналов. Однако в интегральных микросхемах чаще используют транзисторные АД, имеющий больший коэффициент передачи, чем диодные. Диодные детекторы строятся по последовательной (а) и параллельной (б) схемам. Принцип действия обоих детекторов не имеет принципиальных различий. Достоинством параллельного детектора является отсутствие гальванической связи между источником сигнала и диодом.

Рассмотрим последовательный детектор, полагая диод в первом приближении с линейной характеристикой и без обратного тока.

Под действием входного ВЧ напряжения, модулированного по амплитуде, через диод протекают импульсы тока, которые содержат постоянную составляющую (которая изменяется по закону передаваемого сообщения) и составляющие с угловой частотой  и ее гармониками. Постоянная составляющая создает на нагрузке напряжение U_н = -I_нR_н. Высокочастотные составляющие на нагрузке не создают заметного падения напряжения, т.к. для них реактивное сопротивление R_c = 1/jC мало и по ВЧ емкость С_н шунтирует R_н.

Чтобы ток с частотой модуляции создавал на R_н требуемое падение напряжения, а токи с частотами , 2, … шунтировались емкостью С_н, необходимо выполнения условия:

(С_н)^-1<<R_н<<(_вС_н)^-1. (5.3)

В параллельном АД на выходе (R_н) будет присутствовать как U_нч так и U_вч, чтобы отфильтровать на выход только НЧ составляющую, включают дополнительно ФНЧ, или снимают напряжение НЧ с С_р.

В детекторах на транзисторах одновременно с детектированием осуществляется и усиление сигнала.

Пример детектора на полевом транзисторе с нагрузкой в цепи стока (стоковый детектор) изображен на рис.5.5. Источником Е_з транзистор почти заперт. При подаче на вход U_с, в стоковой цепи текут импульсы тока.

Выпрямленный ток, медленно меняющийся с частотой модуляции, создает напряжение на резисторе R_н. Составляющие тока с , 2, 3…замыкаются через С_н. Такой детектор имеет большое R_вх.. На биполярных транзисторах различают коллекторный, эмитерный и базовый детекторы. Чаще всего используется коллекторный АД.

(Схемы см. Буга стр. 141, 142 ).