Селективные усилители

Усиление радиосигналов в приемнике осуществляется на радиочастоте и на промежуточной частоте. УРЧ - усилитель радиочастоты. УПЧ- усилитель промежуточной частоты.

УРЧ должен иметь малый коэффициент шума и высокую линейность. Наряду с усилением сигнала УРЧ обеспечивает частотную селективность. Для этого в его состав входят селективные цепи.

Основные параметры УРЧ:

1) резонансный коэффициент усиления

2) селективность

3) коэффициент шума

4) динамический диапазон

5) коэффициент нелинейных искажений

6) коэффициент устойчивости.

В УРЧ применяют 2 типа включения усилительного элемента:

1) общий эмиттер

2) общая база.

Схема с общим эмиттером позволяет получить большее усиление по мощности, но из за эффекта Миллера плохо работает на частотах больше чем 0.1F_гр, поэтому а высоких частотах используют схему с общей базой.

Б

К

Э

В данной схеме переход база-эмиттер открыт в линейном режиме. Переход база коллектор закрыт.

Эффект Миллера:влияние емкости на S-параметры каскада.

Схема с общей базой:

Rн

Рассмотрим типичную схему усилителя:

R1

Rэ

Сэ

Сэ

Ск

Lк

Сбл

Еп

Rн

В данной схеме присутствуют L-контур и C-контур.

В малосигнальном режиме транзистор можно представить четырехполюсником.

R_э используют для получения обратной связи по постоянному току. Чтобы ток коллектора не зависел от температуры C_к шунтирует обратная связь по постоянному току, чтобы коэффициент передачи был выше.

В системе с Y-параметрами уравнение четырехполюсника имеет вид:

Y11+Y12

(Y21-Y12)U1

Y22+Y12

I1 I2

-Y12

U1

U2

ω_s – частота, на которой крутизна уменьшается в раз.

С₂₂ ,С₁₂,С₁₁- емкости транзистора (затвора, стока, проходная). Они берутся из справочника.

Исходя из вышеизложенного,

Iu

Yu

U1

m m

n

LK

CK

GK

Yn

Un

I1

I2

1 2

1 2

полная эквивалентная схема усилителя:

Коэффициент устойчивости:

k_y=(G_э1 + n₁² G_вх.ос)/G _Э1.

Если k_y = 0, то усилитель может самовозбуждаться. Приk_y = 1 обратная связь отсутствует, что соответствует максимальной устойчивости усилителя. Обычно принимают k_y = 0,8 ... 0,9. При этом изменение коэффициента усиления и полосы пропускания под действием обратной связи не превышает 10... 20%. Чем ближе к_у к единице, тем устойчивее усилитель.

Аналогичные рассуждения справедливы и для отрицательной обратной связи: свойства усилителя также не должны претерпе­вать существенных изменений, поэтому выбирают k_y= 1,1 ... 1,2.

Известны пассивные и активные способы повышения устойчи­вости. Пассивные способы сводятся к уменьшению фактического коэффициента усиления, чтобы выполнялось неравенство

K₀ K_{0 уст.}

Для этого достаточно, например, уменьшить коэффициенты включения или сопротивления контуров R_э.

Активные способы повышения устойчивости позволяют увеличить К_{о уст} и тем самым реализовать потенциальные усилительные возможности прибора. К этим способам относятся нейтрализация внутренней обратной связи противопо­ложной внешней обратной связью и каскадное соединение активных элементов.

Внутреннюю обратную связь усилительного прибора можно нейтрализовать с помощью специальных цепей. При этом отпадает ограничение коэффициента усиления, налагаемое условием

K₀ K_{0 уст.}

и можно получить максимальное усиле­ние. Известны различные схемы нейтрализации. Усилитель с параллельной нейтрализацией представляет собой параллельное со­единение двух четырехполюсников: усилительного прибора У и нейтрализующей пассивной цепи с проводимостью .

Для повышения устойчивости усилителей используют каскад­ное соединение двух усилительных приборов, при котором выход первого усилительного прибора соединяется со входом второго не­посредственно, без частотно-зависимых цепей. Влияние внутрен­ней обратной связи при этом уменьшается, так как проводимость обратной связи определяется обратной проводимостью двух уси­лительных приборов.

В 40-е гг. в ламповых усилителях было наиболее распростра­нено соединение «общий катод — общая сетка» (ОК—ОС). Такой усилитель получил название каскодного. После перехода к при­менению транзисторов каскодными стали называть любые усили­тели, у которых отсутствуют частотно-зависимые связи между каскадно включенными транзисторами. Для анализа такое соедине­ние удобно рассматривать как один каскад, у которого оба уси­лительных прибора замещаются некоторым эквивалентным че­тырехполюсником.

Лекция 10.

УРЧ используется для усиления сигнала на несущей частоте.

Функции УРЧ:

1) уменьшение коэффициента шума приемника для увеличения чувствительности.

2) Обеспечение частотной избирательности до смесителя.

3) Усиления радиосигнала

4) Обеспечение избирательности по прямому и зеркальному каналам приема. На практике коэффициент усиления УРЧ подбирают таким, чтобы скомпенсировать потери сигнала в антенном фидере, преселекторе и первом смесителе приемника.

Классификация УРЧ:

1) По характеру процесса усиления:

А) на невзаимных усилительных элементах.

Б) регенеративные и сверхрегенеративные.

В) параметрические (усиление происходит за счет изменения во времени какого либо параметра).

Г) молекулярные.

2) по типу усилительного элемента.

3) по виду селективной цепи:

А) LC- контур

Б) обьемный резонатор

В) полосок.

4) по виду АЧХ:

А) ФНЧ

Б) ФВЧ

В) полосовые

Основное отличие усилителя радиочастоты от усилителя промежуточной частоты – работа в диапазоне частот.

Коэффициент устойчивого усиления резонансного усилителя зависит от частоты:

Запас по устойчивости = К_{уст усил} <К

Конструктив усилителя радиочастоты должен быть выполнен с учетом правил разводки высокочастотных ЭМ цепей (максимально применяются меры по снижению обратных связей. Для этого ставятся экраны).

При необходимости вводятся дополнительные цепи обратной связи (цепи нейтрализации внутренних обратных связей (активные методы повышения устойчивости)).

Используют специальные схемотехнические решения для нейтрализации внутренней обратной связи, например, используют каскодную схему включения.

Uвх

Uпит.

ОБ

ОЭ

Uвых.

Т₁ включен по схеме с общим эмиттером, Т₂ – с общей базой

УПЧ отличается от УРЧ и схемотехнически, и конструктивно. Это обусловлено его функциями .

Основные функции УПЧ:

1) Обеспечение основного додетекторного усиления.

2) Обеспечение избирательности по соседнему каналу приемника.

3) Формирование нужной АЧХ приемного тракта.

Характеристики УПЧ:

1) Коэффициент усиления

2) Избирательность по соседнему каналу приема

3) Частота настройки

4) Полоса пропускания

5) Коэффициент шума

6) Прямоугольность - отношение полосы пропускания по уровню 0.1 к ширине полосы пропускания по уровню 0.7.

К₀ - коэффициент усиления, f₀ -частота настройки, П=2∆f – полоса пропускания, S- селективность при заданной расстройке (дБ) (затухание на заданной расстройке по уровню К).

– прямоугольность по заданному уровню, где S – заданный уровень затухания.

УПЧ работает на фиксированной частоте и может содержать несколько резонансных усилительных каскадов, настроенных на одну и ту же частоту. При этом общий коэффициент усиления

, где N- число каскадов.

Для улучшения избирательности УПЧ и для облегчения его регулировки применяют фильтры сосредоточенной селекции (ФСС). Фильтры сосредоточенной селекции служат для получения высокой селективности и одновременно хорошей равномерности усиления в заданной по­лосе пропускания. Их применение целесообразно, если в УПЧ используется уси­лительный модуль в интегральном исполнении, обеспечивающий достаточно большое усиление, что часто делает ненужным усилительные каскады.

Достоинства УПЧ с ФСС:

1) Простота изготовления и настройки.

2) Высокая помехозащищенность.

3) Стабильность АЧХ и ФЧХ.

4) Меньшая склонность к самовозбуждению.

Недостатки УПЧ с ФСС:

1) Неполное использование электронных усилительных приборов.

2) Увеличение числа транзисторов и мощности потребления

Используют схемы:

1) Многозвенные LC ФСС

2) Активные фильтры распределенной селекции

3) Кварцевые ФСС

4) Пьезокерамические

5) Электромеханические

6) ФСС на ПАВ фильтрах

7) Цифровые фильтры

Широко применяют LC-фильтры различной сложности, электромеханические и пьезокерамические фильтры. Ими в основном определяется частотная характеристика тракта промежуточной частоты. Если требуются дополнительные кас­кады, то их полосу пропускания делают более широкой, чем у ФСС, чтобы не ухудшить частотную характеристику.

Сосредоточение селективности в одном каскаде обеспечивает большую ус­тойчивость формы частотной характеристики тракта при изменении температу­ры и режима питания. Вследствие разброса параметров транзисторов тракт с распределенной по каскадам селективностью характеризуется меньшей устой­чивостью частотной характеристики.

Электромеханический фильтр в схеме усилителя состоит из входного магнитострикционного преобразователя электрических колебаний в ме­ханические, механического фильтра и выходного преобразователя механиче­ских колебаний в электрические. Эффект магнитострикции заключается в спо­собности некоторых материалов (никель, пермаллой) изменять свои размеры в магнитном поле. Фильтр содержит ряд механических резонаторов в виде плас­тин, стержней или дисков с упругими связками. Механические колебания вход­ного преобразователя возбуждают колебания в механических резонаторах, каж­дый из которых резонирует подобно колебательному контуру с очень высокой добротностью. Последний резонатор возбуждает колебания в выходном преоб­разователе, который преобразует колебания в электрические за счет обратного эффекта магнитострикции. Такие фильтры имеют близкую к прямоугольной час­тотную характеристику, малые габариты и хорошую температурную стабиль­ность.

Для получения очень узких полос пропускания (порядка сотен или десят­ков герц) используются кварцевые фильтры. Фильтрующее дей­ствие кварцевого резонатора основано на резком уменьшении его полного cопротивления в узкой полосе в окрестности резонансной частоты. Для нейтра­лизации емкости кварцедержателя фильтр выполняется по мостовой схеме.. Плечи моста образованы конденсаторами С₁, С₂, С_N и емкостью кварцедержа­теля.

В диапазонах метровых и дециметровых воли применяются фильтры па по­верхностных акустических волнах (ПАВ). Они состоят из пьезоэлектрической подложки (кварц, ниобат лития, танталат лития, германат висмута), па кото­рую методами фотолитографии нанесены пленочные преобразователи в виде встречно-штыревых гребенок. Если на входной преобразователь подать сигнал, то вследствие пьезоэлектрического эффекта в промежутках меж­ду штырями возникнет акустическая волна, которая распространяется в обе стороны от входного преобразователя. В одном из направлений волна зату­хает в поглощающей среде, в другом достигает выходного преобразователя, где обнаруживается благодаря обратному пьезоэлектрическому эффекту.

Лекция 11.