11

А. В. Новиков, М. М. Шевяков

Лабораторная работа

Исследование усилителя промежуточной частоты

Цель работы - ознакомление с основными принципами построения усилителей промежуточной частоты (УПЧ) радиоприемных устройств. Исследуются три типичные схемы каскадов УПЧ с фильтром сосредоточенной избирательности (ФСИ). Снимаются амплитудно-частотные характеристики, амплитудные характеристики, определяется возможная глубина регулировки усиления в каскадах, оцениваются нелинейные свойства.

1. Общие положения

Усилители промежуточной частоты являются неотъемлемой частью приемного устройства, построенного по супергетеродинной схеме. УПЧ работают на фиксированной частоте и обеспечивают усиление принимаемого радиосигнала до уровня, необходимого для эффективной работы демодулятора. Одновременно УПЧ формирует амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) линейного (до демодулятора) тракта приемного устройства, которая определяет его избирательность по соседнему каналу приема.

ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ УПЧ - номинальное значение промежуточной частоты f_пр; полоса пропускания УПЧ f_пр; коэффициент усиления по напряжению K_о на частоте f_пр; частотная селективность; динамический диапазон и вносимые нелинейные искажения.

НОМИНАЛЬНОЕ ЗНАЧЕНИЕ ПРОМЕЖУТОЧНОЙ ЧАСТОТЫ соответствует средней (квазирезонансной) частоте настройки усилителя. Значение f_пр выбирается обычно достаточно большим, чтобы выполнялись следующие условия: f_пр>>f_с и 2f_пр/f_о>2...3 %, где f_о - центральная частота сигнала, а f_с - эффективная ширина его спектра. Первое условие характеризует сигнал, перенесенный преобразователем частоты приемника на промежуточную частоту, как узкополосный, что позволяет эффективно осуществлять его частотную фильтрацию. Второе условие связано с наличием при преобразовании частоты зеркального канала приема. Зеркальный канал отстоит от основного на 2f_пр по частоте и подавляется частотно-избирательными цепями, расположенными до преобразователя частоты (в преселекторе). Исходя из требований технической реализации УПЧ, значение f_пр должно выбираться минимальным. Для повышения помехозащищенности приема по каналу прямого прохождения установлен международный стандартный ряд значений f_пр и одновременно наложен запрет на их использование в качестве несущих при передаче радиосигналов. Так, например, в системах радиовещания с амплитудной модуляцией (АМ) значение f_пр=465 кГц, а с частотной модуляцией (ЧМ) f_пр=10,7 МГц. В приемниках радиолокационных станций используют более высокие частоты f_пр=30; 60; 120; 250 МГц.

ПОЛОСА ПРОПУСКАНИЯ УПЧ определяется допустимыми частотными искажениями спектра принимаемого сигнала и обычно оценивается по уровню - 3 дБ (0,707). При этом всегда f_пр выбирается несколько больше f_с.

КОЭФФИЦИЕНТ УСИЛЕНИЯ ПО НАПРЯЖЕНИЮ K(f) имеет комплексный характер. На частоте f_пр K(f_пр)=K_о. В зависимости от назначения приемника K_о может составлять величину от 100 до 1 млн.

ЧАСТОТНАЯ СЕЛЕКТИВНОСТЬ - это способность УПЧ ослаблять воздействие на усиливаемый сигнал помех, частоты которых расположены вне полосы пропускания УПЧ. Частотная селективность или избирательность в полной мере не может быть оценена одним параметром. Это связано с наличием нелинейности передаточных характеристик активных элементов УПЧ. Эффекты, имеющие место при одновременном прохождении через УПЧ сигнала и помех, могут существенно отличаться от тех, которые имеют место при раздельном их приеме. Наиболее опасными проявлениями нелинейности в УПЧ являются блокирование, перекрестные помехи и интермодуляция. Блокирование - это уменьшение амплитуды сигнала на выходе усилителя при действии интенсивной помехи, частота которой лежит за пределами полосы пропускания УПЧ. Блокирование приводит к увеличению влияния шумов. Перекрестные помехи проявляются в переносе модуляции помехи на принимаемый сигнал. Интермодуляция представляет собой процесс образования помех с комбинационными частотами, близкими к частоте сигнала, вследствие действия на нелинейный элемент двух или нескольких помех с разными частотами.

При простейшем ОДНОСИГНАЛЬНОМ методе оценки избирательность определяется по амплитудно-частотной характеристике K(f), снимаемой при подаче на вход одного гармонического сигнала низкого уровня, не вызывающего нелинейных эффектов. Степень ослабления помехи от соседней по несущей частоте радиостанции характеризуется избирательностью по соседнему каналу

Sl_ск=K_о/K(f_ск),

где f_ск - частота соседнего канала.

Нередко односигнальную частотную селективность оценивают коэффициентом прямоугольности АЧХ

K_п=f_sl/f_пр>1,

где f_sl - полоса пропускания по уровню 1/Sl_ск; а f_пр – полоса пропускания УПЧ по уровню 0,707. K_п характеризует степень приближения АЧХ к идеальной (прямоугольной).

Для более точной оценки влияния помех определяется МНОГОСИГНАЛЬНАЯ селективность, учитывающая нелинейные эффекты при одновременном действии на УПЧ сигнала и интенсивных помех.

ДВУХСИГНАЛЬНАЯ частотная селективность характеризует уровень перекрестных помех в УПЧ. Для ее оценки на вход одновременно подают модулированные по амплитуде напряжение сигнала u_с(f_с) с частотой f_с=f_пр и напряжение помехи u_п(f_п) с частотой f_п

u_с(f_с)=U_mc[1+m_cSIN(2F_ct)]SIN(2f_ct+_c);

u_п(f_п)=U_mп[1+m_пSIN(2F_пt)]SIN(2f_пt+_п),

где m_c и m_п - коэффициенты модуляции сигнала и помехи, F_c и F_п -частоты модуляции сигнала и помехи. При выключенной помехе измеряют действующее значение напряжения сигнала на выходе после амплитудного детектирования

u_сад(F_с)=U_mсадSIN(2F_сt),

где U_mсад=K_оK_адU_mсm_с; K_ад - коэффициент передачи амплитудного детектора. Затем, включив помеху, устанавливают напряжение U_mп на входе таким, чтобы обеспечивалась заданная величина коэффициента перекрестных помех

k_пер=U_mпад/U_mсад,

где U_mпад - амплитуда напряжения помехи на выходе амплитудного детектора.

Полученное значение U_mп принимают за допустимое U_mпдоп. Зависимость отношения U_mс/U_mпдоп от частоты помехи f_п или растройки f_п=f_п-f_пр при данном k_пер дает представление о селективности УПЧ и всего приемника в целом.

Рассмотрим подробнее механизм образования перекрестной помехи. Для этого представим передаточную характеристику УПЧ в виде ряда по степеням входного сигнала

u_вых=f(u_вх)=a₀+a₁u_вх+a₂u²_вх+... .

Характеристика будет нелинейной, если постоянные коэффициенты a_i при i>1 не равны нулю. При наличии лишь квадратичной нелинейности (a_i=0 для всех i>2) перекрестные помехи и нелинейные искажения на выходе УПЧ будут отсутствовать. Это связано с отсутствием составляющих с частотами близкими к f_с=f_пр в спектре квадратичного члена

[u_с(f_с)+u_п(f_п)]²=0,5U²_свых[1-COS(22f_сt+2_с)]+0,5U²_пвых[1-СOS(22f_пt+2_п)]+

+0,5U_свыхU_пвых{COS[2(f_п-f_с)t+_п-_с]+COS[2(f_п+f_с)t+_п+_с]}

всегда кроме случая, когда f_п=2f_с. В последнем выражении

U_свых=U_mс[1+m_сSIN(2F_сt)],

U_пвых=U_mп[1+m_пSIN(2F_пt)].

В спектре члена третьей степени такие составляющие есть вне зависимости от частоты помехи f_п

(0,75U³_свых+1,5U_свыхU²_пвых)SIN(2f_сt+_с).

Первое слагаемое отражает возникающие нелинейные искажения сигнала, а второе - перекрестные помехи, когда амплитуда сигнала на частоте f_с зависит от амплитуды помехи U_пвых. При этом модуляция помехи появляется на выходе амплитудного детектора

С точки зрения минимизации нелинейных искажений и перекрестных помех наиболее перспективным является применение в первых регулируемых каскадах полевых транзисторов, у которых передаточная характеристика квадратичная.

ТРЕХСИГНАЛЬНАЯ частотная селективность характеризует уровень интермодуляции в УПЧ и приемнике в целом. Для ее оценки на вход УПЧ подают сигнал с частотой f_с=f_пр и помехи с частотами f_п1 и f_п2. Частота f_п1 выбирается за пределами полосы пропускания УПЧ выше или ниже частоты f_пр и соответствует частоте соседнего канала, частота второй помехи выбирается f_п2=2f_п1-f_с. Вследствие нелинейности тракта УПЧ образуются колебания с комбинационной частотой 2f_п1-f_п2, которая близка к частоте сигнала f_с, поэтому возникшая помеха не может быть отфильтрована в последующих каскадах.

НЕЛИНЕЙНЫЕ ИСКАЖЕНИЯ, вносимые УПЧ, обычно характеризуются коэффициентом нелинейных искажений полезного сигнала K_г на выходе амплитудного детектора при номинальном уровне сигнала на входе



K_г=U²_2свых+U³_3свых+U⁴_4свых+.../U_1свых,

где U_iсвых - амплитуда i-ой гармоники сигнала модуляции с частотой iF_с.

Существуют две основные причины нелинейных искажений модулирующего сигнала в УПЧ. Первая причина - это нелинейность передаточных свойств активных элементов УПЧ, вторая - неточная настройка приемника по частоте, когда f_с не равно f_пр. При неточной настройке боковые составляющие амплитудно-модулированного (АМ) сигнала усиливаются в УПЧ по разному, что приводит к искажению спектра АМ сигнала и нелинейным искажениям его огибающей.

ДИНАМИЧЕСКИЙ ДИАПАЗОН УСИЛИТЕЛЯ ПРОМЕЖУТОЧНОЙ ЧАСТОТЫ характеризуется отношением максимального уровня сигнала на входе к минимальному D=U_mcмакс/U_mcмин. Значение U_mcмакс обычно ограничено допустимыми нелинейными искажениями, а U_mcмин – внутренними шумами усилителя. Максимальный уровень входного сигнала может оцениваться двухсигнальным методом по допустимому коэффициенту перекрестных помех k_пер. Для расширения динамического диапазона УПЧ и всего приемника в целом служит система автоматической регулировки усиления (АРУ).

Подавляющее большинство радиоприемных устройств содержит устройства автоматической и ручной регулировки усиления. При этом в структуре приемника предусматриваются устройства с изменяемым коэффициентом усиления или передачи. Вводится обычно регулировка усиления и в УПЧ. Широко применяются лишь электрические методы регулирования. Основными из них можно считать следующие:

1). Изменение усилительных параметров активных приборов путем приложения регулирующего напряжения U_р к их электродам. При этом изменяется режим работы активного прибора, поэтому подобные способы называются режимными.

2). Использование управляемых аттенюаторов, включенных в тракт прохождения сигнала, например, цифро-аналогового преобразователя в перемножающем включении.

3). Применение управляемых цепей обратной связи в усилителях.

4). Изменение нагрузочных сопротивлений усилительных каскадов путем применения управляемых сопротивлений - варисторов, диодов, биполярных и полевых транзисторов.

Основной характеристикой регулируемого элемента является коэффициент регулирования

D_u=K_макс/K_мин.

В одном усилительном каскаде обычно не удается получить изменение коэффициента усиления более чем в несколько десятков раз. Усиление трудно снизить ниже некоторого предела из-за почти неизбежного на радиочастотах "пролезания" сигнала через паразитные емкости, взаимоиндуктивности и проводимости. Кроме того, для сильного уменьшения коэффициента передачи регулируемых элементов требуется использовать эти элементы в режимах, в которых наиболее сильно проявляется их нелинейность.

Уменьшать коэффициент передачи приходится при увеличенном напряжении сигнала, при котором нелинейность проявляется еще заметнее. По этой причине регулирование осуществляют в каскадах, расположенных ближе ко входу усилителя, где сигналы еще сравнительно мало усилены. Однако регулирование во входных каскадах может ухудшить селективность. В первых каскадах проявляется действие сильных помех от посторонних радиостанций, работающих на близких частотных каналах. При наличии нелинейности эти помехи устранить невозможно из-за перекрестной модуляции и интермодуляции. В последующих каскадах посторонние сигналы ослаблены резонансными цепями и нелинейные процессы менее опасны.

УПЧ представляет собой многокаскадный усилитель, содержащий частотно-избирательные цепи. Реализовать такой усилитель можно двумя способами.

Первый способ предполагает постепенное накопление усиления и избирательности в многокаскадной схеме. При этом каждый каскад усилителя имеет свою частотно-избирательную цепь. Такой усилитель называется УПЧ с распределенной избирательностью. Частотная избирательность в таких схемах может формироваться на основе использования LC-элементов (одиночные контура, связанные контура и т.п.) в качестве цепей межкаскадной связи. На низких частотах используются активные RC-фильтры.

Второй способ обеспечивает разделение функций усиления и частотной селекции. Усилители промежуточной частоты, выполненные по этому способу, включают в себя многокаскадный усилитель и фильтр сосредоточенной избирательности. ФСИ обычно располагают на входе УПЧ, чем уменьшается вероятность возникновения перекрестных искажений при воздействии на вход УПЧ совместно с полезным сигналом мощной помехи по соседнему каналу. Вместе с тем установка ФСИ на входе может привести к ухудшению шумовых свойств приемника, так как многозвенный ФСИ обычно обладает большим затуханием. Частотно-избирательные функции в таких усилителях выполняются различными многорезонаторными фильтрами (пьезоэлектрическими, электромеханическими и т.п.), а функции усиления - апериодическими или слабо избирательными многокаскадными усилителями.