Усилители радиотракта

33

Глава 3

Усилители радиотракта

3.1 Усилители радиочастоты (УРЧ), функции, основные

качественные показатели.

3.1.1 Схемы УРЧ, устойчивость УРЧ.

Основные функции УРЧ.

1. Усиление принимаемых сигналов на несущей частоте, необходимое для

улучшения реальной чувствительности РПрУ.

2. Обеспечение селективности (избирательности) РПрУ к сильным помехам,

и селективности по побочным каналам приёма (зеркальный канал, прямой и

промежуточный канал).

3. Ослабление паразитного излучения гетеродина через входную цепь и

антенну.

Основные качественные показатели.

1. Коэффициент усиления напряжения

Кu=Uвыx/Uвх; K[db]=20 lgKu

Для многокаскадного УРЧ общий коэффициент усиления

К

ОБЩ

[db]= K1xK2…..Kn

2. Селективность - показывает, насколько уменьшается коэффициент

усиления на частоте мешающего сигнала

Se=Kо/K; Se=[db]=20lg Ко/К

3. Полоса пропускания характеризует широкополосность УРЧ.

4. Коэффициент перекрытия диапазона (ширина диапазона)

5. Устойчивость работы - характеризует способность УРЧ сохранять

основные показатели при изменении внешних и внутренних факторов среды

(температуры, изменение напряжения питания).

Рис. 3.1 Обобщённая схема УРЧ

Глава 3

34

3.1.2 Анализ обобщённой схемы резонансного одноконтурного УРЧ.

На вход УП (усилительного прибора) поступает сигнал, который необходимо

усилить.

К

выходному

электроду

УП

подключается

нагрузка

в

виде

колебательного контура (Lк,Ск) . Выходной сигнал снимается с контура и

подаётся на вход следующего каскад, проводимость которого равна Y

11

. В

общем случае колебательный контур подключается к выходному электроду УП

и нагрузке частично, с коэффициентом включения ml и m2. коэффициент

включения называется отношение части напряжения, снимаемое с контура

(Uвых) к полному напряжению на контуре (U

K

) т.е.

(3.1)

В общем случае резонансный коэффициенте усиления равен

(3.2)

где ml m2 - коэффициент включения

S - крутизна характеристики усилительного прибора

R

K

- резонансное сопротивление контура

(3.3)

3.1.3 Принципиальная схема УРЧ с автотрансформаторным включением

контура и автотрансформаторной связью со следующим каскадом.

Рис. 3.2 Принципиальная схема УРЧ

Усилители радиотракта

35

При

поступлении

на

вход

каскада

напряжения

с

частотой

равной

резонансной

частоте

каскада,

в

коллекторной

цепи

транзистора

VT1

появляется переменный ток l

K

. Протекая через резонансный контур (Lк, Ск, Сп)

переменная составляющая коллекторного тока создаёт на нём падение

напряжения Un. Часть этого напряжения снимается с отвода контурной катушки

Lк, и подаётся через конденсатор связи Сб на следующий каскад (базу

транзистора УТ2). База биполярного транзистора VТ2 подключена к части

выходной резонансной цепи Lк Ск, во избежание её сильного шунтирования

малых (1500 - 2500 Ом) входным сопротивлением транзистора. Коэффициент

включения m2, характеризующий степень связи базы транзистора VТ2 с

резонансной цепью Lк Ск всегда значительно меньше единицы. Коллектор

транзистора VT1 подключён к части контура. Неполная связь коллектора с

контуром Lк, Ск,Сп применяется для ослабления шунтирования контура

выходной цепью транзистора и для обеспечения устойчивой работы каскада.

3.1.4 Устойчивость РУ.

При определённых условиях РУ может самовозбуждаться и работать как

автогенератор с частотой, близкой к его резонансной. Это связано с наличием

внутренней обратной связи через транзистор (внутритранзисторная емкостная

ОС за счёт ёмкости перехода коллектор-база).

При создании усилителя важно, чтобы он не только не самовозбуждался,

но и с необходимым запасом обеспечивалась устойчивость при воздействии

различных

внешних

дестабилизирующих

факторов

(внешних

помех,

климатических механических воздействий, нагрев УП) такой запас достигается

при выполнении условия:

(3.4)

где: Ко - резонансный коэффициент усиления определяемый из формулы

выше; Куст- устойчивый коэффициент усиления каскада.

(3.5)

где: S - крутизна транзистора

Ск - внутритранзисторная ёмкость ОС, равная ёмкости перехода коллектор

- база.

3.1.5 Меры повышения устойчивости РУ.

1. ДЛЯ УРЧ с фиксированной настройкой с целью повышения

устойчивости применяется нейтрализация ёмкости Ск.

Глава 3

36

Схема УРЧ с нейтрализацией

Рис. 3.3 Схема УРЧ с нейтролизацией

Принцип

действия

заключается

во

введении

дополнительной

электрической цепи, по своим свойствам являющейся противоположной

проводимости ОС. Введение последовательной цепочки Rn и Сп должно быть

таким, чтобы обеспечивался поворот фазы напряжения нейтрализации на

180° относительно напряжения ОС. Часто для нейтрализации используется

только одна ёмкость.

2. УРЧ с транзистором, включенными по схеме с ОБ.

В таких УРЧ область базы транзистора при соединении её с общей точкой

схемы резко ослабляет емкостную связь между входом и выходом усилителя,

тем самым повышая его устойчивость.

Рис. 3.4 Схема УРЧ с ОБ

Усилители радиотракта

37

При

этом

устойчивость

во

много

раз

выше

поэтому

транзистор

работоспособен в более широкой полосе частот. Связь транзистора с

выходным контуром автотрансформаторная, с входным контуром через

емкостной

делитель,

связь

входного

контура

с

источником

сигнала

трансформаторная,

а

выходного

контура

с

последующим

каскадом

автотрансформаторная. УРЧ используется в приёмниках УКВ.

4. Каскадная схема УРЧ. Такой схемой называется схема, в которой

используется две различных схемы включения усилительных приборов.

Наиболее распространена комбинация схем включения ОЭ - ОБ.

Рис. 3.5 Каскодная схема УРЧ

Каскодные схемы сочетают в себе высокие усилительные свойcтвa схемы

включения

с

ОЭ

и

значительное

выходное

сопротивление

с

высокой

устойчивостью схемы с ОБ.. Каскадные усилители обеспечивают более

высокое устойчивое усиление, чем у двух каскадного усилителя на этих же

транзисторах.

Транзистор VT1 первого каскада каскадного усилителя включен по схеме

с

ОЭ,

что

обеспечивает

достаточно

высокое

входное

сопротивление

усилителя; при этом селективность (избирательность) цепи источника сигнала

снижается незначительно. Нагрузкой коллекторной цепи VT1 служит малое

входное сопротивление второго каскада каскадного усилителя, включённого

по схеме с ОБ. По этой причине первый каскад усилителя обеспечивает

усиление сигнала практически только по мощности, а второй по напряжению;

в целом усилитель обеспечивает высокое усиление и по мощности и по

напряжению. Применяется в РПУ метрового диапазона (УКВ).

Глава 3

38

3.2 Полосовые усилители.

Полосовыми усилителями называются усилители АЧХ которых близка к

прямоугольной.

Вследствие

особой

формы

АЧХ,

полосовые

усилители

обеспечивают

равномерное

усиление

в

полосе

пропускания

и

резкое

ослабление

близко

расположенных

к

резонансной

частоте

мешающих

сигналов.

Они

применяются

в

качестве

усилителей

промежуточной

частоты(УПЧ) РПрУ, обеспечивая ослабление влияния близко расположенных

мешающих

сигналов

соседних

каналов.

Полосовые

усилители

(ПУ)

в

большинстве случаев, не перестраиваются, Т.е. предназначены для работы

на одной частоте настройки.

Рис. 3.6 АЧХ Полосового усилителя

Лучшая форма АЧХ ПУ достигается за счёт использования двухконтурных

и

более

(многоконтурных)

резонансных

цепей,

а

так

же

специальных

фильтров ФСС. Они представляют собой избирательные системы с высокой

крутизной спада, коэффициент передачи за границей полосы пропускания.

На

практике

применяются

различные

виды

ФСС:

LC

-

фильтры

многоконтурные и многозвенные, электромеханические, пьезоэлектрические,

пьезомеханические, пьезокерамические.

3.2.1 Схема УПЧ на двухсвязных контурах.

Рис. 3.7 Схема УРЧ с ДПФ

Усилители радиотракта

39

Рис. 3.8 Ачх УРЧ с ДПФ

При критической связи между контурами когда В=l АЧХ имеет один

максимум, уплощенную вершину и хорошую равномерность в полосе пр

опускания при В> 1 АЧХ получается с двумя боковыми максимумами. При

увеличении

связи

пробел

в

АЧХ

увеличивается

полоса

пропускания

расширяется и вместе с тем увеличивается неравномерность в полосе

пропускания. При В < 1 АЧХ имеет один максимум но полоса пропускания

меньше чем при В= 1. Таким образом наивыгоднейшей связью между

контурами является критической В= 1.

АЧХ

полосового

усилителя

УПЧ

с

ДПФ

по

сравнению

с

АЧХ

одноконтурного РУ отличается более прямоугольной формой, что говорит о

лучшей селективности заданной полосы частот.

3.2.2 УПЧ с фильтром сосредоточенной селекции.

Рис.3.9 Схема УРЧ с ФСС на LC-звеньях

Глава 3

40

ФСС

на

дискретных

элементах

LC

-

элементах

состоит

из

ряда

колебательных контуров, связь между которыми в основном емкостная, но

может быть индуктивной и комбинированной. Приведённая схема УПЧ с ФСС

состоит

из

двухконтурных

звеньев,

согласованных

по

волновому

сопротивлению

с

емкостной

связью

между

контурами.

Связь

с

ФСС

с

транзистором

VТ

1

автотрансформаторная

а

с

последующим

каскадом

трансформаторная. Степень связи с ФСС выбирают исходя из согласования

выходного сопротивления VТ1 и входного сопротивления последующего

каскада. Для ослабления магнитных связей между катушками их обычно

помещают в экран. Внешние контуры L 1 С 1 и L3 C3 являются полузвеньями

ФСС. Количество звеньев в ФСС определяется количеством конденсаторов

связи.

3.2.3 УПЧ с Пьезокерамическим фильтром

Имеют

малые

габариты,

просты

в

изготовлении,

обладают

малым

затуханием в полосе пропускания и высоким коэффициентом прямоугольности

АЧХ. Однако за пределами полосы пропускания имеются паразитные полосы

пропускания, что требует включения перед фильтром резонансного контура

обеспечивающего согласование выходного сопротивления транзистора с

вxoдным сопротивлением фильтра.

Рис. 3.10 УПЧ с ПКФ

В качестве примера приведём данные пьезокерамического фильтра типа

Ф П1П - 23 на промежуточную частоту 465 кГц. Полоса пропускания по

уровню 0,5 (вдб) - 9,5 кГц, селективность при расстройке:±9кГц - 40 дб;

вносимое затухание в полосе пропускания не более 9,5 дб Rвх = Квых = 2 кОм.

Выводы

1. В УРЧ (УВЧ) приёмников наиболее широко используются одноконтурные

транзисторные

усилители.

Высокое

устойчивое

усиление

обеспечивают

каскадные УРЧ.

2. В УПЧ с распределённой селекцией большая часть каскадов резонансная

Усилители радиотракта

41

при

этом

результирующая

АЧХ

УПЧ

определяется

произведением

АЧХ

отдельных каскадов. В УПЧ с сосредоточенной селекцией результирующая

АЧХ определяется в основном АЧХ ФСС являющегося нагрузкой одного из

каскадов УПЧ (смесителя) остальные каскады могут быть апериодически или

широкополосными.

3. В качестве ФСС в УПЧ находят применение фильтры на дискретных LC

- звеньях, электромеханические, кварцы и пьезокерамические.

3.3 Схемы, конструкции и характеристики усилителей

радиосигналов

На умеренно высоких частотах используют УРЧ на биполярных (БТ) и

полевых (ПТ) транзисторах с высокими граничными частотами. Современная

интегральная

технология

позволяет

изготавливать

полупроводниковые

и

гибридные интегральные микросхемы (ИМС) усилителей радиосигналов (УРЧ

и УПЧ) с внешними избирательными цепями (колебательными контурами и

фильтрами). Здесь возможно также использование интегральных активных RС-

фильтров, однако их частотные свойства ограничены. Поэтому иногда активные

RC-yстройства используют одновременно с фильтрующими системами с

сосредоточенными параметрами (контурами, пьезокерамическими и другими

фильтрами). В этом случае они выполняют роль усилителей и устройств

Рис. 3.11 Схемы УРЧ с использованием полевого транзистора ИМС

Глава 3

42

согласования.

На

рис.

3.11,а

приведена

схема

УРЧ

на

полевом

транзисторе

с

трансформаторным

включением

колебательного

контура

в

цепь

стока.

Колебательный контур перестраивается варикапом, на который подается

управляющее напряжение смещения Uу . Требуемая устойчивость каскада

достигается

выбором

коэффициента

усиления,

меньшего

или

равного

коэффициенту устойчивого усиления.

На рис. 3.11б, а дана принципиальная схема ИМС, предназначенной для

УРЧ, работающих на частотах до 150 МГц, на рис. 3.11, б — вариант ее

применения. Схема содержит каскодный усилитель (ОЭ-ОБ) на транзисторах

VT2 и VT1 , что обеспечивает высокую устойчивость. С помощью транзистора

VT3 осуществляется регулировка усиления ИМС, для чего необходимо

изменять управляющее напряжение Uу на выводе 9 , что приводит к

изменению

эмиттерного

тока

VT3

,

величины

напряжения

на

R6

и,

следовательно, смещения на эмиттере VT2. С помощью диодов VD1, VD2,

резисторов R1-R3 (температурно-зависимого делителя базового смещения) и

цепей обратной связи достигается высокая стабильность параметров ИМС: в

интервале температур от —60 до +70°С изменение Y 21 | не превышает ±25

%. Усиление ИМС на частоте 10 МГц не менее 200 (сопротивление нагрузки

100 Ом), напряжение питания 6,3 В (± 10 %), потребляемая мощность 20 мВт.

Для ИМС характерен относительно низкий уровень шумов: на частоте 180МГц

коэффициент шума не более 7 дБ.

На

рис.

3.12

приведена

схема

резонансного

УРЧ,

которая

может

применяться на частотах до 60 МГц. Она содержит ИМС 175УВ4, основу

которой составляет каскодный усилитель с дифференциальным каскадом.

Входной сигнал с контура входной цепи подается на базу транзистора VT4 ,

включенного но схеме с ОЭ, и усиливается далее транзистором VT3 (ОБ)

.Такое включение позволяет повысить устойчивость усилителя и увеличить

Рис. 3.12 Принципиальная схема УРЧ на ИМС 175УВ4 работающего в

диапазоне частот

Усилители радиотракта

43

его выходное сопротивление, что допускает полное включение нагрузочного

контура.

Регулировка

усиления

может

осуществляться

путем

подачи

управляющего напряжения: Uу на базу транзистора VT2 дифференциального

каскада. Так как ток эмиттера транзистора VT3 остается постоянным, то

входное сопротивление УРЧ в процессе регулировки усиления не изменяется,

что стабилизирует АЧХ усилителя в широком диапазоне изменения его

усиления.

Входной

и

выходной

контуры

перестраиваются

с

помощью

варикапов, входящих в состав варикапной матрицы. Для уменьшения влияния

нелинейных эффектов в каждом из контуров используют по два варикапа,

включенных последовательно по переменному току, что позволяет уменьшить

влияние нелинейностей четных порядков.

На СВЧ находят применение УРЧ на СВЧ-транзисторах (до сантиметровых

волн включительно), СВЧ-электронных лампах (метровый и дециметровый

диапазоны), ЛБВ, приборах с "отрицательным" сопротивлением, а также

параметрические и квантовые усилители.

Транзисторные усилители в последнее время широко распространены в

СВЧ-технике. Наряду с БТ используются ПТ с затвором типа барьера Шотки

(ПТШ) на основе арсенида галлия. В последнем случае можно повысить

рабочую частоту УРЧ до 80 ГГц (сравнительно с 15 ГГц для БТ), что

объясняется большой подвижностью носителей в ПТШ. На частотах 0,3-30 ГГц

коэффициент усиления транзисторных однокаскадных усилителей составляет

около 5—6 дБ при полосе 3-4 % от несущей, коэффициент шума около 6 дБ

Характерно, что режимы согласования УРЧ по шумам и мощности для ПТШ

отличаются в меньшей степени, чем для БТ. Конструктивно транзисторы

выполняются на основе безвыводного кристалла, кристалла с выводами, в

Рис. 3.13 Схемы УРЧ СВЧ диапазона

Глава 3

44

условно герметичной (не по всем внешним воздействиям) и полностью

герметичной конструкциях.

В качестве согласующих цепей на входе и выходе каскада используют

трансформирующие фильтры, выполненные на отрезках длинных линий, в

том числе полосковых, волноводах или на сосредоточенных элементах (в

длинноволновой части диапазона). Если согласование осуществляется в

широком диапазоне частот, то следует учесть падение усиления каскада с

ростом частоты. Поэтому можно осуществить согласование на верхней

границе диапазона, а на более низких частотах перейти к рассогласованию

или

применить

частотно-зависимые

устройства

или

элементы

с

диссипативными потерями, которые увеличиваются с ростом частоты. В

результате удается выравнять частотную характеристику Кр и получить малый

КСВн в широком диапазоне частот. Наибольшее применение на СВЧ находит

схема включения с ОЭ (ОИ), позволяющая получить наибольшее усиление и

наилучшие шумовые характеристики.

На рис. 3.13,а приведена электрическая схема малошумящего усилителя

диапазона

сантиметровых

волн.

Конструктивно

каскад

выполняется

на

сапфировой подложке, на которую наносятся тонкопленочные резисторы,

индуктивности, конденсаторы и соединительные элементы. Согласующе-

трансформирующие цепи имеют вид отрезков полосковых линий (на рис. 4.50

заштрихованы). Параметры усилителя следующие: Кр. = 25 дБ, диапазон

усиливаемых частот 3,5—4,2 ГГц, Кш=5 дБ, КСВн < 2, потребляемый ток 30

мА при напряжении источника 12B.

На СВЧ нашли применение также балансные УРЧ, структурная схема

которых приведена на рис. 3.13,б Как видно, мощность входного сигнала через

направленный делитель поступает на два одинаковых усилительных каскада,

а затем суммируется в направленном сумматоре. Резисторы Rбал. являются

поглощающими, что улучшает согласование и обеспечивает малый КСВн на

Рис. 3.14

Усилители радиотракта

45

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ И ПОВТОРЕНИЯ

1.

Какие

требования

предъявляются

к

усилителям

радиосигналов

в

зависимости oт области их применения?

2. Назовите и сравните различные виды параметров, используемых для

описания усилительных приборов в усилителе радиосигналов.

3. В чем заклю чается сущность иммитансного метода исследования

устойчивости усилителя радиосигналов?

4. В чем отличие коэффициента устойчивости усиления от коэффициента

предельного усиления усилителя радиосигналов?

5.Укажите методы борьбы с генерацией в усилителе радиосигналов. В чем

их достоинства и недостатки? Дайте рекомендации по применению методов.

6. Как повысить коэффициент усиления усилителя радиосигналов?

7. Начертите схемы резонансных УРЧ, укажите назначения всех элементов.

8. Как изменяется в диапазоне частот резонансный коэффициент усиления

УРЧ? Как устранить влияние неравномерности его характеристики на работу

РПрУ?

9. В чем достоинства каскодного УРЧ?

10.

Начертите

схемы

полосовых

усилителей

радиочастоты,

укажите

назначения всех элементов.

11. Каковы зависимости основных характеристик полосового усилителя

высокой частоты от числа каскадов?

12. Почему в активных фильтрах возможно подавление помех приему без

использования индуктивных компонентов?

13. Каковы особенности работы RС-фильтров на высоких частотах?

14. Сравните между собой различные виды полосовых усилителей высокой

частоты с высокоэффективными избирательными цепями.

15.

От

чего

зависят

характеристики

УРЧ

на

основе

приборов

с

"отрицательным" сопротивлением?

16. Сравните особенности УРЧ различных диапазонов волн.

выходе

и

входе

усилителя.

В

качестве

делителя

и

сумматора

могут

использоваться различные устройства, например шлейфные мосты (рис. 3.14)

Для

балансного

усилителя

характерно

большое

усиление,

меньшее

различие

режимов

согласования

по

мощности

и

шумам,

больший

динамический диапазон, однако его использование требует принятия мер по

обеспечению идентичности плеч усилителя.