Лабораторная работа

“ВХОДНЫЕ ЦЕПИ”

Цель работы: изучить основные схемы входных цепей транзисторных радиоприемников и исследовать их свойства.

Краткие теоретические сведения.

Входная цепь (рис.14) – это специальное устройство, включаемое на входе первого каскада радиоприемника и служащее для предварительной частотной селекции сигналов, поступающих из антенны. Входная цепь состоит из одного или нескольких контуров, настраиваемых на частоту принимаемого сигнала f₀ .

К входной цепи (ВЦ) предъявляется ряд требований.

1. Напряжение принимаемого сигнала должно передаваться от антенны к транзистору с минимальными потерями.

2. Полоса пропускания ВЦ (П_ВЦ) должна соответствовать спектру принимаемого сигнала.

3. ВЦ должна обладать высокой селективностью, т.е. степенью подавления мешающих сигналов. Для входных цепей супергетеродинных приемников важное значение имеет ослабление мешающих сигналов на зеркальной частоте, отличающейся от частоты принимаемого сигнала на две промежуточные ( f­_зерк = f₀ + 2f_ПЧ ), и на промежуточной частоте. Соответственно различают селективность по зеркальному (S_зерк) и прямому (S_пр) каналам.

4. ВЦ должна допускать настройку на любую частоту диапазона от f_0мин до f_0макс . При этом основные показатели не должны сильно изменяться при перестройке.

5. ВЦ не должна быть чувствительна к разбросу параметров антенны и транзистора.

Свойство ВЦ передавать полезный сигнал характеризуется резонансным коэффициентом передачи

, (12)

где U_вых0 - напряжение на выходе ВЦ при ее настройке на частоту принимаемого сигнала ;

E_а - ЭДС, наводимая в антенне принимаемым сигналом (рис.14).

Селективные свойства ВЦ характеризуются формой ее резонансной характеристики.

Перестройка ВЦ в заданном диапазоне частот производится, как правило, с помощью конденсатора переменной емкости (КПЕ). При этом каждому положению КПЕ соответствует своя резонансная характеристика (на рис.15 эти характеристики показаны для трех фиксированных положений КПЕ: для максимальной, средней и мини­мальной емкостей КПЕ). Следует отличать резонансную характерис­тику К(f) от частотной характеристики резонансного коэффици­ента передачи ВЦ Ko(fo) . Последняя представляет собой траекторию движения вершины резонансной характеристики при изменении емкости КПЕ (штриховая линия на рис.15). Основные параметры ВЦ в значительной мере определя­ются способом соединения контура с антенной и транзис­тором. Как правило, для полу­чения приемлемых характерис­тик ВЦ приходится существен­но ослаблять связь контура с антенной и транзистором. Рассмотрим вначале влияние антенны на параметры ВЦ.

Приемная антенна, находящаяся под воздействием электромагнитного поля, может быть представлена в виде генератора ЭДС Еa, обладающего внутренним сопротивлением Za . Величина Еa пропорциональна напряженности поля Е в месте приема:

, (13)

где h_д - действующая высота антенны, зависящая от ее конструк­ции и рабочей частоты.

Сопротивление антенны Za зависит от частоты сложным обра­зом, так как любая антенна представляет собой цепь с распреде­ленными параметрами. В сравнительно узком диапазоне частот соп­ротивление антенны может быть заменено эквивалентной схемой с сосредоточенными параметрами. В частности, сопротивление наруж­ной антенны при приеме на ДВ и СВ может быть представлено в виде последовательного соединения активного сопротивления ra и емкости Ca (рис. 16).

Радиоприемник должен допускать ра­боту от различных антенн. В случае ра­боты приемника с неопределенной антен­ной необходимо учитывать средние параметры антенны и величину разброса этих параметров. Обычно средние значения параметров антенны таковы: С_a= 200 пФ, r_a =25 Ом. Возможные отклонения Сa и ra от среднего значения характеризуются коэффициента­ми qc и qr:

(14)

При непосредственной связи антенны с контуром (простая ВЦ) в контур вносятся активное к реактивное сопротивления. За счет активного сопротивления ra снижается эквивалентная добротность контура и ухудшается избирательность, а за счет емкости антенны Сa происходит расстройка контура. Скомпенсировать эти измене­ния при изготовлении приемника невозможно, так как заранее не­известно, с какой антенной он будет работать. Для снижения влияния параметров антенны на входной контур и, следовательно, повышения стабильности ВЦ требуется ослабить связь антенны с контуром. Входные цепи, имеющие ослабленную связь с антенной, на­зываются сложными.

По виду связи с антенной различают сложные входные цепи с емкостной (рис.17, а), индуктивной (рис.17, б) и комбинированной (рис17, в) связью с антенной.

При емкостной связи с антенной (рис. I7, а) между антенной и контуром включается конденсатор связи CСВ . При этом результирую­щая емкость цепи антенны равна:

, (15)

Если выбрать емкость C_СВ из условия C_СВ << Сa , то резуль­тирующая емкость C₀ , которая меньше C_СВ будет оказывать слабое влияние на настройку контура. При таком выборе C_СВ влияние сопро­тивления r_a на добротность контура также будет незначительно.

Резонансный коэффициент передачи ВЦ:

, (16)

Где m - коэффициент включения транзистора в контур ВЦ.

Как следует из (16) , коэффициент передачи K₀ , пропорционален C₀ , поэтому C_СВ не следует выбирать чрезмерно малой. Обычно Cсв выбирают порядка 10 пФ.

При настройке контура ВЦ с помощью КПЕ (Cн) можно считать, что добротность контура в пределах диапазона остается постоянной. При этом, как видно из (16), резонансный коэффициент передачи пропорционален квадрату частоты принимаемого сигнала, т.е. обла­дает сильным непостоянством по диапазону ( рис.18, кривая 1 ).

Емкостная связь проста конструктивно, но непостоянство ко­эффициента передачи препятствует ее широкому применению. Обычноэта связь применяется на фиксированных частотах или при малых коэффициентах перекрытия.

При индуктивной связи с антенной (рис.17, б) катушка связи вместе с емкостью антенны образует последовательный контур с собственной частотой

(18)

В зависимости от выбора индуктив­ности Lсв возможны два режима работы: с удлиненной антенной, когда ω_0a< ω_0мин (режим удлинения ) и с укороченной антенной, когда ω_0a>ω_0мин ( режим укорочения ).

ЭДС взаимоиндукции, наводимая во входном контуре:

, (19)

где Ia – ток в антенном контуре.

В режиме сильного укорочения ( ω_0a>>ω_0мин) сопротивление последовательного антенного контура в диапазоне перестройки кон­тура ВЦ ω_0мин… ω_0макс имеет емкостный характер, поэтому ток Ia пропорционален частоте ω₀. В связи с этим резонансный коэффи­циент передачи ВЦ, зависящий от ЭДС Eм , оказывается пропорцио­нальным квадрату частоты и индуктивная связь с антенной не дает никаких преимуществ по сравнению с емкостной. Обычно режим уко­рочения практически не используется.

В режиме сильного удлинения (ω_0a<< ω_0мин) цепь антенны на частоте ω₀ имеет индуктивный характер сопротивления и ток Ia оказывается обратно пропорциональным частоте ω₀ . При этом (в пер­вом приближении) резонансный коэффициент передачи ВЦ не зависит от частоты сигнала. Благодаря этому индуктивная связь с антенной в режиме удлинения находит наибольшее применение.

В режиме удлинения резонансный коэффициент передачи ВЦ

, (20)

где Kсв - коэффициент связи входного контура с антенной;

; (21)

f₀ – частота, на которой определяется K₀.

Величина x_a , определенная для минимальной частоты диапазона f0мин , называется коэффициентом удлинения Kа:

. (22)

При малых значениях Kа (т.е. в режиме сильного усиления) требуется, как следует из (21), катушку связи выполнить с большой индуктивностью. При этом, как видно из (20), снижается коэффициент передачи K₀ . Поэтому обычно Kа выбирают порядка 0,7. В некоторых случаях, чтобы не увеличивать чрезмерно Lсв, параллельно катушке связи включают дополнительный конденсатор С (рис.17, б). При этом возрастает емкость антенной цепи Ca и уменьшается ее резонансная частота.

При сравнительно больших коэффициентах удлинения (порядка 0,7 и больше) зависимость резонансного коэффициента передачи от частоты имеет падающий характер (рис.18, кривая 2).

При выборе степени связи входного контура с удлиненной антенной исходят из необходимости обеспечить слабое влияние параметров антенны и их разброса на работу входного устройства и из конструктивной осуществимости требуемой связи. Практически выполнимое значение коэффициента связи (Kсв) не превышает 0,5…0,7.

Селективность по зеркальному каналу может быть определена (для наихудшего случая, когда входная цепь настроена на частоту f0макс) по упрощенной формуле

, (23)

где

. (24)

Селективность по прямому каналу определяется для случая настройки ВЦ на ту крайнюю частоту диапазона f0 , которая наибо­лее близка к промежуточной частоте fпч, по упрощенной фор­муле

, (25)

где

. (26)

Если селективность по прямому каналу оказывается недоста­точной, то для ее повышения используют включение дополнительного режекторного контура, настроенного на частоту f_пч.

При комбинированной связи с антенной (рис.17,в) в результа­те совместного действия обоих видов связи (индуктивной в режиме удлинения и емкостной) резонансный коэффициент передачи ВЦ ока­зывается во всем рабочем диапазоне частот сравнительно постоян­ным (рис.18, кривая 3). Основным недостатком схемы является пониженная селективность по зеркальному каналу. В связи с этим подобная схема имеет ограниченное применение.

Рассмотрим теперь влияние транзистора на работу ВЦ, пренеб­регая влиянием антенной цепи.

При непосредственной связи транзистора с контуром его вход­ная проводимость Y₁₁ = g₁₁ + j b₁₁ оказывается включенной парал­лельно контуру. Такая связь, как и в случае антенной цепи, при­водит к расстройке контура (за счет проводимости g₁₁) и к увеличению его затухания (за счет проводимости g₁₁). Прово­димость Y₁₁ может отклоняться от номинального значения как из-за неидентичности транзисторов одного и того же типа (т.е. из-за разброса параметров), так и вследствие изменения режима транзистора и температуры окружающей среды. В результате этих отклонений могут изменяться частота настройки и полоса пропускания ВЦ. Для повышения стабильности и селективности ВЦ прихо­дится ослаблять связь транзистора с контуром. Степень связи характеризуется показателем связи A₁:

, (27)

где g_r - активная составляющая проводимости входного контура, пересчитанная ко входу транзистора.

Обычно наибольшее влияние на выбор A1 оказывает откло­нение активной проводимости g11, на величину Δ g₁₁, ( в ту или иную сторону) от номинального значения. Относительное измене­ние этой проводимости имеет порядок

.

Исходя из выбранного значения A₁ в зависимости от схе­мы ВЦ , можно найти коэффициент включения транзистора в контур ВЦ m.

При ослабленной связи транзистора с контуром резонансный коэффициент передачи ВЦ для случая удлиненной антенны равен

. (28)

На рис.19 приведены практические схемы входных цепей для разных диапазонов.