5 Усилители радиосигналов (урс)

Усилителями радиосигналов принято считать устройства служащие для получения заданного усиления сигналов в диапазоне радиочастот в каскадах предшествующих детектору.

Рис.5.1. Структурная схема супергетеродинного РПрУ

Основные функции УРС:

1. Усиление полезного сигнала;

2. Уменьшение коэффициента шума и увеличение реальной чувствительности;

3. обеспечение частотной селективности по мешающим и побочным каналам приема.

Классификация:

1. По месту расположения в тракте приема (рис.5.1).

УРЧ (усилитель сигналов радиочастоты), усиливает сигнал на частоте модулированной несущей и располагается перед 1-м преобразователем частоты (ПЧ).

УПЧ (усилитель сигналов промежуточной частоты), усиливает сигнал на преобразованной частоте и располагается после преобразователя частоты (ПЧ).

2. По характеру нагрузки:

резонансные УРЧ, с ярко выраженными селективными свойствами;

слабоселективные;

апериодические.

3) По характеру распределения селективности:

с распределенной селективностью;

с сосредоточенной селективностью (на основе ФСС – фильтров с сосредоточенной селективностью).

4) По конструктивному исполнению:

с сосредоточенными параметрами;

с распределенными параметрами.

5) По типу усилительного элемента:

- на лампах;

- на транзисторах;

- на диодах (параметрические, варакторные, туннельные диоды и т.д.).

6) По диапазону частот.

7) По способу настройки:

- с переменной настройкой (с индуктивной и емкостной настройкой;

- с постоянной настройкой.

Качественные показатели урч

1. Резонансный коэффициент усиления по напряжению - К_о = U_вых / U_вх или по мощности – К_ро = Р_вых / Р_вх. Резонансным коэффициентом усиления принято называть отношение амплитуды напряжения сигнала несущей частоты на выходе к амплитуде напряжения сигнала несущей частоты на входе при настройке нагрузочных колебательных контуров на несущую частоту сигнала. При применении в нагрузке полосовых фильтров резонансный коэффициент усиления определяется на средней частоте полосы пропускания.

Общий коэффициент усиления многокаскадного УРС – К_общ = К₁К₂К₃ . . . К_i

2. Избирательность усилителя определяется его резонансной кривой, т.е. степенью ослабления сигналов помех при расстройке несущей частоты сигнала помехи относительно резонансной частоты усилителя. Для обеспечения избирательности, как правило, используются частотно-избирательные системы: одиночные или связанные контуры, а также полосовые фильтры. Усилитель, в котором нагрузкой служит один колебательный контур, настроенный в резонанс на несущую частоту усиливаемого сигнала, принято называть резонансным. В зависимости от числа контуров в каскаде усилители бывают одноконтурными и многоконтурными.

Эффективная (реальная) избирательность учитывает нелинейность характеристик усилительных приборов и оценивается избирательностью при заданном коэффициенте нелинейных искажений.

3. Коэффициент шума определяет шумовые свойства усилителя и возможность усиления слабых сигналов.

4. Амплитудно-частотные искажения полностью определяются формой резонансной кривой УРЧ и УПЧ.

5. Фазо-частотные искажения являются следствием нелинейности фазовой характеристики усилителя, которая в случае сложной резонансной системы может быть весьма значительной.

6. Нелинейные искажения усилителя определяются нелинейностью рабочего участка его амплитудной характеристики.

7. Динамический диапазон – оценивается по амплитудной характеристике.

Анализ УРС с сосредоточенными параметрами

Рис.5.1 - Структурная схема УРС

Активный усилительный элемент подключается к нагрузке и источнику сигнала через согласующие цепи СЦ1 и СЦ2.

Эквивалентные схемы АЭ:

1. моделирующие (Эберса-Молла, Джиаколетто - для биполярных транзисторов;

Куртиса, Шихмана-Ходжеса - для полевых транзисторов). Содержат несколько десятков параметров и достаточно сложны для ручного анализа. Применяются в основном при моделировании на ЭВМ.

2. схемы замещения. АЭ представляется в виде четырехполюсника

Рис.5.2 – Эквивалентная схема замещения УРС

Действующие значения токов и напряжений на полюсах 1-1 и 2-2 (I₁ , I₂ , U₁ , U₂ ) связаны между собой линейными зависимостями. По­лучили распространение следующие системы уравнений:

, (5.1)

, (5.2)

, (5.3)

, (5.4)

, (5.5)

, (5.6)

где [Z], [Y], [G], [H], [A], [B]— матрицы внутренних параметров в выбранной схеме замещения.

Матрице внутренних Y-параметров четырехполюсника соответствует граф, приведенный на рис.5.3,а.

Рис.5.3

Зная одну систему параметров, можно вычислить коэффициенты уравнений в любой другой системе параметров. Последовательность преобразований для получения H-параметров на основании Y-параметров показана на рис.5.3,б,в,г.

В любой системе параметров ветви графа должны быть направлены от независимых в сторону зависимых узлов. Так как в системе H зависимыми узлами являются U₁ и I₂, то вначале необходимо осуществить инверсию ветви y₁₁. Для этого направление ветви следует изменить на противоположное, передачу ветви изменить на обратную (рис.5.3,б). Конец неинвертируемой ветви y₁₂ следует поместить там, где находится конец уже инвертированной ветви y₁₁, а ее передачу поделить на передачу ветви y₁₁ до инверсии с обратным знаком. На последнем этапе необходимо рассчитать передачи ветвей, соединяющих зависимые узлы с независимыми (рис.5.3,в) и приравнять полученные значение передачам ветвей графа для системы H-параметров (рис.5.3,г). В результате получим:

Более компактна следующая форма записи:

.

Все внутренние параметры активного элемента в общем случае являются комплексными величинами, т.е. y_ij = g_ij + jb_ij .

Параметр y₁₁ представляет собой входную проводимость, которая, например, для полевого транзистора определяется так:

,

где g_вх – активная составляющая,

С_зи – емкость затвор-исток,

С_зс – емкость затвор-сток.

Проводимость обратной передачи определяется в основном реактивной емкостной составляющей:

.

Проводимость прямой передачи равна

,

где S – низкочастотная крутизна проходной характеристики транзистора, - граничная частота крутизны (на которой крутизна уменьшается на 3 дБ).

Обычно из-за небольшой величины С_зс принимают .

Выходная проводимость

.

Рис.5.2 соответствует граф проводимостей, показанный на рис.5.4,а. На основании графа проводимостей легко получить сигнальный граф (рис.5.4,б).

Рис.5.4

Основные характеристики четырехполюсника следуют из сигнального графа.

Коэффициент прямой передачи равен:

. (5.7)

При автотрансформаторном включении нагрузки (рис.5.5) напряжение на выходе четырехполюсника и на нагрузке связаны соотношением

,

тогда

.

Комплексный коэффициент прямой передачи равен

. (5.8)

При заданной эквивалентной добротности максимальный коэффициент передачи, как это показано ранее, имеет место при условии (4.55) и равен

, (5.9)

при этом обычно n₁=1, а .

Расчет эквивалентной емкости контура производится по формуле

. (5.10)

Далее расчет сводится к определению контурной емкости

и индуктивности

.

Если величина индуктивности слишком мала, то, задаваясь ее величиной, определяем

и рассчитываем коэффициенты включения по (4.62) и (4.63).

Рис.5.5

Коэффициент обратной передачи равен:

.

При автотрансформаторном включении нагрузки

. (5.9)

Сквозной коэффициент передачи с учетом внутренней проводимости источника сигнала (рис.5.6):

. (5.10)

Рис.5.6

Где - э.д.с. источника сигнала.

Входную проводимость можно определить, подключив к входу четырехполюсника идеальный источник тока (рис.5.7), с помощью выражения

Рис.5.7

откуда

(5.11)

Выходная проводимость определяется с помощью источника тока, подключенного к выходу четырехполюсника (рис.5.8)

Рис.5.8

откуда

(5.12)