Тема 2.3. Усилители радиочастоты

Транзисторы и интегральные микросхемы, применяемые в трактах радиочас-

тоты. Высокочастотные параметры и сравнительная характеристика.

Классификация усилителей радиочастоты, обобщенная эквивалентная схема

резонансного усилителя. Резонансный коэффициент усиления. Оптимальные ко-

эффициенты включения. Коэффициент шума. Обратные связи в резонансных уси-

лителях. Устойчивый коэффициент усиления. Методы повышения устойчивости

работы резонансного усилителя. Схемы резонансных усилителей на транзисторах

и микросхемах. Сравнительная характеристика усилителей, выполненных по схе-

мам с общим эмиттером (истоком), общей базой (затвором) и каскодных. Область

применения.

Апериодические усилители радиочастоты.

Усилитель радиочастоты УРЧ усиливает принимаемый сигнал и в то же время осу- ществляет ослабление сигналов по побочным каналам приема. Контуры УРЧ перест- раиваются вместе с контуром гетеродина (сопряженно).

Усилители радиочастоты (УРЧ) включают между входной цепью приемника и преобразователем частоты. От параметров резонансного УРЧ зависят основные эле- ктрические параметры приемника: реальная чувствительность, многосигнальная ча- стотная селективность, характеризующая частотно-селективные свойства приемника в условиях проявления нелинейных свойств электронных приборов при воздейст- вии одновременно двух или более сигналов с разными частотами; односигнальная частотная избирательность (селективность) по зеркальному каналу и каналу прямого прохождения (на частоте сигнала, близкой к промежутоточной частоте приемника), а также коэффициент шума приемника.

Для обеспечения высоких электрических параметров радиоприемника резонанс- ный УРЧ должен иметь палый коэффициент шума, высокую линейность амплитуд- ной характеристики и обладать большой частотной избирательностью.

При изучении резонансных УРЧ надо также обратить внимание на факторы, оп- ределяющие постоянство их параметров, которые зависят от постоянства парамет- ров электронных приборов и схемы:

1 для обеспечения постоянства частоты настройки f₀ и полосы пропускания П необходимо увеличивать стабильную часть эквивалентной емкости контура

Сэmin – Сэmax;

2 уменьшение искажений, вызванных внутренними паразитными обратными свя- зями в усилительных приборах, достигается снижением резонансного коэффициента усиления УРЧ (Kоурч =S _Kp_KQ₃m1m2) до величины устойчивого коэффициента усиле- ния К_у за счет уменьшения коэффициентов включения m1 и m2 (желательно) при за- данной величине коэффициента частотной избирательности σз.

Резонансным коэффициентом усиления напряжения УРЧ Корч считают его коэф- фициент усиления на несущей частоте f₀ принимаемого модулированного сигнала.

Под устойчивым коэффициентом усиления резонансного усилителя К_{у п} понима-

ют такой коэффициент усиления, при котором степень изменения формы его резо- нансной характеристики, обусловленная изменением параметров колебательного контура (R₃, П и др.), не превышает 20-30 %. Условие устойчивости резонансного усилителя требует, чтобы его резонансный коэффициент усиления Ко, оставался всегда меньше К_у, т.е. К₀<Ку.

Для транзисторных усилителей справедливо выражение

где к_уст= gэ – gвнос/gэкв - коэффициент устойчивости;

gэ – эквивалентная проводимость контура с учетом всех вносимых в него зату- ханий;

g_BH0C – активная составляющая входной проводимости транзистора, вносимая в контур за счет внутренней обратной связи транзистора;

У12 - модуль проводимости обратной связи, обычно указанный в справочнике;

S_K - крутизна характеристики выходного тока транзистора, мА/В.

Для профессиональных приемников К_уст = 0,9; для радиовещательных Куст = 0,8.

[4,с. 114] одна формула К_у для биполярных транзисторов УРЧ без нейтрализации:

где fomax- максимальная рабочая частота усилителя, Мгц;

Ск - ёмкость коллектор-база, пФ.

В случае построения УРЧ на полевых транзисторах в формулу К_у надо подстав- лять значение крутизны тока стока Sex, мА/В, и проходной емкости сток-затвор Сс-з, пФ (включение с общим истоком).

Как видно из сказанного выше, устойчивость резонансного усилителя можно по- высить выбором транзисторов с большой крутизной выходного тока S_K на рабочей частоте f_omax и меньшей проходной емкостью С_прох в схеме с ОЭ биполярного тран- зистора это емкость С_к - коллектор- база).

При изучении схем резонансных УРЧ и принципа работы следует помнить, что в УРЧ применяют колебательные контуры с параметрами, аналогичными параметрам контура входной цепи приемника.

При сравнении схем резонансных УРЧ следует помнить, что они классифициру- ются по многим признакам, одним из которых является вид связи усилительного прибора с контуром. Наиболее широкое применение нашла схема с двойной авто- трансформаторной связью, в которой резонансный коэффициент усиления

Коурч =Sк рк Qэm1m2, так же, как и эквивалентное сопротивление контура, растет пропорционально частоте сигнала f₀ в пределах рабочего диапазона.

Применение трансформаторного включения контура в выходную цепь транзисто- ра (усилительного прибора) позволяет соответствующим подбором величины индук-

тивности катушки связи L_CB получить большую равномерность Ко в диапазоне час- тот.

Необходимо также иметь в виду, что:

а) резонансный коэффициент усиления УРЧ для обеспечения устойчивости его работы не должен превышать коэффициент устойчивого усиления, т.е.

К_{оурч ≤} Ко_урч;

б) требования к селективности УРЧ по зеркальному каналу Сз , и каналу прямого прохождения О_пр на промежуточной частоте и его величине Коурч противоречивы: для увеличения К_оурч в схеме [2, рис. 3.17] следует увеличивать коэффициенты вклю- чения m1 и m2, но при этом увеличивается шунтирующее действие R_{BX сл} и R_BX._cn транзисторов на контур, и его добротность Q₃ падает, что приводит к снижению се- лективности каскада УРЧ. Наибольший коэффициент К_оурч при заданной полосе пропускания может быть получен при m1 =m1_onT и m2=m2опт

где g22 - выходная проводимость транзистора;

gвx cл - входная проводимость транзистора следующего каскада.

При этом селективные свойства каскада оказываются не наибольшими возможны- ми. Следует также помнить, что в диапазонах ДВ, СВ и KB применение схемы тран- зисторов с ОЭ (ОС) позволяет получить большее усиление полезного сигнала.

В диапазоне УКВ применяется схема с ОБ (03), так как она обладает меньшей про- водимостью обратной связи У12 и обеспечивает более высокий устойчивый коэффи- циент усиления каскада К_у.

Однако такое включение транзистора связано с уменьшением входного сопроти- вления каскада, так как R_BX.oб мало. Это приводит к большему щунтированию кас-

кадом УРЧ контура входной цепи приемника и снижению его селективных свойств, для повышения которых приходится уменьшать коэффициент включения m1 m2 тра- нзистора УРЧ в контур выходной цепи. При этом снижается ее коэффициент переда-

чи Ковц, что также нежелательно.

В блоке УКВ радиовещательных приёмников применение схемы включения с ОБ оправдано при не перестраиваемой схеме входной цепи, при сравнительно низкой добротности контура, полоса пропускания которого П0,7 определяется полосой час- тот диапазона УКВ ЧМ

П >73 МГц - 65,8 МГц, при этом

Применение каскадной схемы позволяет повысить устойчивый коэффициент уси- ления УРЧ и уменьшить его коэффициент шума за счет большего усиления по мощ- ности в первом каскаде [2, параграф 3.13].

В радиоприемниках с AM часто применяют широкополосные (резисторные) кас- кады УРЧ для всех диапазонов - ДВ, СВ и КВ. Так как требуемая величина К₀ур_Ч в этом случае обычно не велика (К_оурч ≤ 10), то сопротивление нагрузки R_K невелико (сотня Ом) и влияние паразитной емкости схемы на К₀ ур_Ч незначительно.

Схемы УРЧ на дискретных элементах строят с применением высокочастотных и сверхвысокочастотных транзисторов малой мощности:

-в радиоприемниках с AM - биполярные транзисторы типа КТ315, КТ339, КТ342, КТ358 и др.;

-в радиоприемниках с ЧМ - биполярные транзисторы типа КТ331, КТ368, КТ371, КТ372 и др.

Тип транзистора определяется максимальной рабочей частотой радиосигнала f_c и назначением приемника. Граничная частота транзистора f_T должна быть не менее, чем в 3 раза выше максимальной рабочей частоты сигнала fо. При этом ВЧ параме- тры транзисторов можно считать практически постоянными, не зависящими от час- тоты радиосигнала f₀.

При высокой реальной чувствительности и требовании минимума коэффициен- та шума приемника желательно применение в УРЧ полевых транзисторов типа КПЗОЗ, КП305, КП350 и др., обладающих малым уровнем собственных шумов.

Кроме того, сравнительно высокое входное сопротивление полевых транзисто- ров позволяет увеличить коэффициент включения транзистора в контур входной цепи m₂, повысить ее коэффициент передачи Ковц и избирательные (селективные) свойства за счет уменьшения шунтирования контура и увеличения эквивалентной добротности Qэ.

Для реализации УРЧ на базе линейных интегральных схем (ЛИС) могут быть ис- пользованы интегральные микросхемы с разной степенью интеграции и различной технологией их изготовления:

а) гибридные (ГИМС сравнительно малой степени интеграции с навесными акти- вными элементами - бескорпусными кремниевыми транзисторами, обычно с п-р-п структурами;

б) полупроводниковые ПМС большой степени интеграции с активными элемен- тами - интегральными транзисторами, выполненными в одном монокристалле полу- проводника.

Применение ИМС с высокой степенью интеграции позволяет повысить технико- экономические показатели каскадов УРЧ и, следовательно, радиоприёмников.

Для построения радиовещательных приемников широко используются ГИМС малой и средней степени интеграции серий типа К224 и К237. Основные параметры этих МС, примеры их выбора и включения даны в [7, с. 18-22,24-32, 54-73].

При использовании ИМС серии К237 следует иметь в виду, что в К237ХК1 пер-

вый каскад УРЧ в типовой схеме включения - обычно апериодический (резисторный, широкополосный). К выводу «13» может быть подведено напряжение источника пи- тания + Опт, при этом каскад становится апериодческим, с коллекторной нагрузки ко- торого 1R1 = 8 кОм (вывод «14») снимается напряжение усиленного сигнала.

При использовании такого каскада в качестве усилительного регулируемого по

цепи АРУ к выводу «13» подводится внешнее напряжение АРУ Uper ≈ 5В с вывода «13» ГИМС К237 х К2.

При использовании такого каскада в качестве резонансного УРЧ между вывода- ми «13» и «14» надо включить колебательный контур, а к выводу «13» подвести нап- ряжение источника питания +U_Mn.

Для современных бытовых радиоприемников с AM создан ряд аналоговых ИС, например, К174ХА2 и К175ХА2, на базе которых реализуются УПЧ с системой АРУ, преобразователь частоты ПЧ и УПЧ с системой АРУ.

Кроме того, известна многофункциональная ИС типа К174ХА10, на базе которой можно создать тракты АС и ЧМ бытового радиоприемника не выше 3-й группы сло- жности.

Для блока УКВ тракты ЧМ бытовых радиоприемников созданы схемы К174ПС1 и К175ПС1.