Лекция №8

3. УСИЛИТЕЛИ РАДИОСИГНАЛОВ

В РПрУ осуществляется усиление радиосигналов - модулированных ВЧ колебаний, как до преобразователя частоты, так и после него. Усилители до преобразователя называются усилители радиочастоты – УРЧ, усилители после преобразователя – усилители промежуточной частоты УПЧ.

УРЧ и УПЧ кроме усиления сигнала осуществляют также избирательность в РПрУ. Для этого усилители содержат резонансные цепи: одиночные колебательные контуры, связанные контуры, фильтры сосредоточенной селекции.

Входные каскады УРЧ должны иметь малый коэффициент шума, большое входное сопротивление, высокую линейность усиления, поэтому их часто выполняют на полевых транзисторах. Для получения большого коэффициента усиления и выполнения необходимых требований по избирательности чаще всего все каскады усиления делают резонансными.

Резонансные усилители делятся на две группы:

1. усилители с постоянной настройкой (это УПЧ и широкополосные полосовые усилители)

2. усилители с переменной настройкой (УРЧ).

Основные характеристики резонансных усилителей:

1. Резонансный коэффициент усиления равен отношению амплитуд напряжений выходного U_вых к входному U_вх, на резонансной частоте (частоте настройки).

. (3.1)

2. Коэффициент усиления мощности:

,

G_н, G_вх – вещественные части проводимости нагрузки и входа.

Учитывая (3.1)

В частном случае, когда имеем .

3) Избирательность усилителя определяется типом избирательной цепи и ее параметрами.

Избирательные свойства удобно характеризовать коэффициентом прямоугольности.

Коэффициент прямоугольности К_П равен отношению полосы пропускания на уровне 0,707 (П_0,707), к полосе пропускания при заданном ослаблении (). Значение ослабления обычно выбирают кратным 10 (10, 100, 1000 или 20, 40, 60 дБ). Например: .

К_П реального усилителя всегда меньше 1. Лишь у идеального усилителя с прямоугольной АЧХ К_П = 1.

4) Коэффициент шума усилителя. Характеризует во сколько раз уменьшилось ОСШ на выходе усилителя за счет добавления собственных шумов усилителя.

5) Искажения сигнала в усилителе делятся на линейные, обусловленные избирательными цепями, и нелинейные, вызываемые нелинейностью характеристик активных усилительных приборов (транзистора, ламп, ИМС).

6) Устойчивость работы характеризует способность усилителя сохранять в условиях эксплуатации мало изменяемыми основные параметры.

СХЕМЫ РЕЗОНАНСНЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ

В усилителях радиосигналов применяют в основном два варианта схем включения активных элементов: ОЭ, ОБ – для биполярного транзистора; ОИ, ОЗ – для полевого транзистора; ОК, ОС – для ламп.

Схема УРЧ на полевом транзисторе с ОИ.

В усилителе применено последовательное питание стока через фильтр R3C3 и катушку индуктивности L_K. Поскольку C₃ >> C_K (в 100 раз), то определяется L_K и C_K.

На частоте резонанса усиление максимально. Уменьшение усиления на частотах отличных от , определяет селективные свойства усилителя. С_Р – разделительные конденсаторы. Резисторы R₁ и R₂ определяют напряжение смещения на затворе. С₂ устраняет обратную связь по переменному току. Контур в цепь стока включен не полностью, для повышения устойчивости каскада.

Самостоятельно ознакомиться со схемами на биполярных транзисторах (Буга, стр.60, 61).

ОБЩИЙ АНАЛИЗ РЕЗОНАНСНОГО УСИЛИТЕЛЯ

В режиме малых сигналов усилительный элемент (транзистор, лампу, ИМС) можно представить активным линейным четырехполюсником (рис.3.2).

В системе параметров уравнения четырехполюсника имеют вид:

.

Распространенная модель усилительного элемента показана на рис.3.3.

При анализе следует учитывать зависимость Y-параметров от частоты. В ограниченной полосе частот Y-параметры можно представить в виде:

(3.2)

Здесь , - угловая частота, на которой крутизна уменьшается в раз. .

Полная эквивалентная схема усилителя содержит источник сигнала и нагрузку:

П ричем:

,

где - суммарная проводимость контура и нагрузки, пересчитанная к выходу четырехполюсника.

(3.3)

Коэффициент усиления каскада с учетом (3.3) равен

(3.4)

Из второго уравнения четырехполюсника:

,

подставив в него , получим , следовательно:

(3.5)

После подстановки (3.5) в (3.4) имеем:

.

Учитывая, что , получаем:

, (3.6)

где - полная эквивалентная проводимость контура.

- эквивалентная резонансная проводимость контура.

- обобщенная расстройка.

Составляющая (3.6) с формулой для коэффициента передачи ВЦ:

,

видим, что формулы отличаются только знаком и вместо стоит .

(3.7)

Приняв , получаем выражение для резонансного коэффициента усиления.

. (3.8)

Найдем оптимальные значения m и n, при которых К₀ = max при заданном полном затухании контура d_Э. Учитывая . Тогда из (3.8):

(3.9)

найдем m:

→

(3.10)

Подставим (3.10) в (3.9):

(3.11)

. (3.12)

Подставив (3.12) в (3.9) получаем:

. (3.13)

Коэффициент усиления максимален при одинаковом шунтировании контура, как со стороны выхода усилительного элемента, так и со стороны нагрузки, т.е. при

(3.14)

При малом собственном затухании контура D >> 1, следовательно

. (3.15)

Определим селективные свойства усилителя:

. (3.16)

При малых расстройках можно пренебречь изменением тогда

. (3.17)

При получаем: . Фазовая характеристика усилителя определяется выражением

(3.18)

, - частота, на которой уменьшается в раз.