Многосигнальная избирательность 3 страница

I_см.вых = y(U_г) + U_c¶y/¶U_c + U_ПЧ¶y/¶U_ПЧ,

Составляющую гетеродина y(U_г) = I_г.вых(t) из анализа в дальнейшем исключают, поскольку она не несет полезной информации. Частные производные: крутизна ¶y/¶Uc=S(t) и выходная проводимость ¶y/¶U_ПЧ=G(t) ПрЧ, – изменяются во времени вместе с синусоидальным напряжением гетеродина и поэтому их представляют рядами Фурье:

,

.

После перемножения косинусов выходной ток без гетеродинных компонентов

,

где S_k – амплитуда k-й гармоники крутизны АЭ, изменяющейся с частотой гетеродина, G_l –амплитуда l-й гармоники частоты гетеродина. Преобразование частоты возможно на любой гармонике крутизны S_k. Промежуточная частота может быть выбрана по-разному. Например, одним из применяемых вариантов:

f_ПЧ = kf_г -f_c или f_ПЧ = f_c – kf_г,

причем первый вариант – при kf_г>f_c, а второй – при kf_г < f_c. Теоретически возможен и третий вариант в виде f_см.вых = kf_г + f_c, но его применение лишено практического смысла.

Из этого многообразия спектра частот выходного тока I_см.вых (t) в ПрЧ используют лишь одно значение f_ПЧ, которое выделяют фильтром с резонансной частотой f₀=f_ПЧ. При k=1 частота f_ПЧ=|f_г-f_c|, и преобразование называют простым, а при k>1 частота f_ПЧ=|kf_г-f_c|, - комбинационным. ПрЧ не инвертирует спектр сигнала, если f_c>f_г, но инвертирует его при f_c<f_г (см.Рис.24.74,б). Полезной является составляющая выходного тока I_см.вых с промежуточной частотой f_ПЧ настройки ПФ, следовательно,

I_см.вых = I_ПЧ = (0,5S_kU_c + G₀U_ПЧ)cosw_ПЧt = I_.см.выхcosw_ПЧt;

здесь в скобках – амплитуда выходного тока. Первый член, 0,5S_kU_c, характеризует процесс преобразования, откуда крутизна преобразования S_пр=0,5S_k. При k=1 имеем S_пр=0,5S₁, половину амплитуды первой гармоники крутизны, а при k=0 получим постоянную составляющую крутизны S_пр=S₀, при которой преобразования частоты не происходит и ПрЧ работает как обычный усилитель входного сигнала f_c. Второй член G₀U_ПЧ – это реакция фильтра, настроенного на выбранную частоту f_ПЧ, где G₀ соответствует l=0, т. е. это постоянная составляющая выходной проводимости П_РЧ. Именно при постоянном значении выходной проводимости (G₀ – const) выходное напряжение U_см.вых может иметь новую частоту f_ПЧ [4].

Параметры преобразователя частоты. Согласно линейной теории нелинейный шестиполюсник См (см. Рис.24.74,а) вместе с гетеродином Г заменяют линейным по сигналу четырехполюсником, управляемым напряжением гетеродина с частотой f_г. Полученный эквивалент преобразователя частоты описывают матрицей активных проводимостей, отражающей параметры ПрЧ. Относительно напряжения U_г АЭ всегда работает в нелинейном режиме. При наличии ПФ на входе и выходе ПрЧ имеет такие параметры:

крутизна преобразования

S_пр = I_ПЧ/U_c при U_ПЧ = 0;

внутренняя проводимость

G_пр = I_ПЧ/U_ПЧ при U_c = 0;

внутренний статический коэффициент передачи

m_пр = S_пр/G_пр = S_прR_пр.

При обратном преобразовании (влиянии U_ПЧ на входной сигнал):

S_обр = I_c/U_ПЧ при U_с = 0, G_обр = G_вх = I_c/U_с при U_ПЧ = 0.

Коэф. передачи ПрЧ с прямым преобразованием

K_пр = U_ПЧ/U_с = S_пр/(G_пр+G_н),

где G_н=G_0экв=1/R_0экв – резонансная проводимость цепи селективной нагрузки ПрЧ. Коэф. передачи ПрЧ с обратным преобразованием

K_обр = U_с/U_ПЧ = S_обр/(G_с+G_вх0),

где G_с и G_вх0 – проводимости: внутренняя источника сигнала и входная АЭ, соответственно. Входная проводимость ПрЧ

G_вх.пр = G_вх0 -S_прS_обр/(G_пр+G_н).

Выходная проводимость ПрЧ

G_вых.пр = G_пр -S_прS_обр/(G_c+G_вх0).

Если активным элементом ПрЧ является транзистор, то обратное преобразование частоты почти отсутствует, S_обр®0, поэтому G_вх.пр®G_вх0 и G_вых.пр®G_пр.

Диодный преобразователь частотывыполняют по простым и сложным (балансным, кольцевым) схемам. Параметры диодных ПрЧ (см., например, Рис.24.75) следующие:

– крутизна преобразования

S_пр = S_k/2 = S sinkQ /(kp);

– выходная проводимость

G_пр = S₀ = SQ/p;

– внутренний статический коэф. передачи

m_пр = S_пр/G_пр = SsinkQ /(kQ),

где S –крутизна ВАХ диода, S₀ – ее постоянная составляющая, Q -угол отсечки выходного тока диода (см. ст. 24.4). Схема диодного ПрЧ – взаимная, поэтомупараметры прямого и обратного преобразований одинаковые: S_обр = S_пр, G_вх.пр = G_пр, m_обр = m_пр.

Простой диодный резистивный ПрЧ имеет в последовательной цепи (см. Рис.24.75) источник сигнала (контур LC), гетеродин Г, диод VD1, выходной контур L1C1. (Термин резистивный обусловлен активным характером управляемого сопротивления). Прямое смещение диода VD₁источником E_см выводит рабочую точку на крутой участок ВАХ. Недостатки: токи контуров с частотами f_c и f_ПЧ взаимозависимы: сигнал на частоте f_c может «захватить» частоту гетеродина f_г и вызвать его расстройку; шумы гетеродинапоступают к выходному контуру; усиления в диодном ПрЧ нет. Преимущества: простота, самый малый уровень шумов АЭ (так как нет усиления) и незначительная инерционность вследствие малой длительности пролета электронов в диодах. Вместо обычных диодов в этих ПрЧ применяют туннельные диоды и диоды с барьером Шотки для расширения динамического диапазона благодаря малым уровням собственных шумов этих активных элементов.

Балансный диодный резистивный ПрЧ (Рис.24.76) свободен от нескольких недостатков предыдущего: напряжение U_г к диодам VD1, VD2 приложено синфазно через средние точки контуров LC, L1C1, а напряжение сигнала U_c – противофазно; схема двухтактная, поэтому взаимно сдвинутые по фазе на p токи с частотой f_ПЧ суммируются на выходе, а синфазные токи гетеродина I_г не дают напряжения на входном и выходном контурах, что значительно уменьшает уровень шумов гетеродина, устраняя главный недостаток простых ПрЧ. Известен балансный ПрЧ, который компенсирует также зеркальную помеху радиоприема (см. эту ст., ниже).

Кольцевой резистивный ПрЧ (Рис.24.77) – два балансных ПрЧ, у которых выходные зажимы включают параллельно и противофазно, из-за чего в выходном контуре почти полностью отсутствуют составляющие токов с частотами f_c и f_г, а во входном контуре нет токов с частотами f_г и f_ПЧ, что составляет основное достоинство кольцевого ПрЧ. Но такой баланс возможен при полной симметрии плеч, поэтому настройка сложна и массовый выпуск приемников с кольцевым ПрЧ затруднен.

В рассмотренных резистивных ПрЧ f_ПЧ<f_c, что позволяет увеличить усиление и повышает качество селективной цепи. В отличие от резистивных емкостный ПрЧ вместо диода VD1 (см. Рис.24.75) содержит варикап VD2 с источником Е_см2 обратного смещения на p-n переходе, вместо Е_см1. Емкость варикапа зависит от напряжения гетеродина емкостного ПрЧ. Источник смещения Е_см2 применяют для оптимального выбора рабочей точки на вольт-фарадной характеристике варикапа и для параметрического (см. ст. 24.20) усиления мощности с коэффициентом, количественно равным отношению частот f_ПЧ и f_с, т. е. K_P=f_ПЧ/f_c. При этом коэф. шума Ш=1+4f_c/f_ПЧ, значит ПрЧ с малым уровнем шума собственно АЭ и большим усилением должен выполнять преобразование сигнала вверх по частоте, f_ПЧ>f_c (например, в инфрадинном приемнике, см. ст. 17.27). Такой нерегенеративный преобразователь частоты является по сути параметрическим устройством.

Транзисторный преобразователь частотыможет быть одновременно смесителем, гетеродином и усилителем сигнала на ПЧ.

Параметры транзисторных ПрЧ удобно определять графоаналитическим способом с помощью динамических ВАХ. Чтобы получить максимальную крутизну S_пр.m=0,5S₁ при минимальных уровнях ее высших гармоник S₂,...,S_k, рабочую точку АЭ ПрЧ выбирают на середине линейного участка графика S=f(e_г). Его строят по сквозной динамической характеристике БТ I_K=f(e_г), показанной на Рис.24.43,в, и находят первую гармонику крутизны транзистора S₁=0,5(S_max-S_min)=S_A (крутизна в рабочей точке А). При этом S_пр=0,5S₁®0,25S_.max. Следовательно, усиление ПрЧ вчетверо меньше, чем у резонансного каскада (см. ст.24.8), при прочих равных условиях.

Выходная проводимость G_iпр=G_i0 и входная проводимость G_вх.пр=G₁₁ транзисторного ПрЧ такие же, как в усилительном каскаде. Крутизну S_обр не учитывают: ОС здесь отсутствует из-за различия частот f_c и f_ПЧ в цепях ПрЧ.

Подстановкой этих параметров в выражения K₀ полосовых селективных усилителей (см. ст. 24.8) получим для ПрЧ с двухконтурным ПФ при G_iпр<<G_н):

K_0.пр = S_прR_0эквn₁n₂h / (1 +h²)

и для ПрЧ с r-ФСС:

K_0.пр = Srn₁n₂k_ф,

где k_ф – поправочный коэф., зависящий от обобщенной добротности q=2(f₀/П)/Q_экв и количества N звеньев ФСС. Напряжение U_г выбирают из условий достижения максимального К_0пр при минимальном количестве комбинационных преобразований f_ПЧ=çkf_г±f_cç (см. эту ст., выше) – комбинационных помех радиоприему (см. ст.17.15).

Вообще в цепь базы (затвора) можно подать напряжения U_c и U_г вместе, но взаимосвязь источников с частотами f_c и f_г приводит к технологической зависимости настроек сигнальных и гетеродинных контуров,ошибочно синхронизирует гетеродин частотой f_c и создает помехи от большого напряжения U_г для близко расположенных каскадов. В качестве примера на Рис.24.78 изображена схема ПрЧ с совмещенными гетеродином и смесителем, где напряжение U_с подают в базовую, а напряжение U_г – в эмиттерную цепь. Катушки L_св2 и L_св3 включают последовательно; сопротивление выходного контура LC мало на частоте f_г, поэтому напряжение гетеродина на выходе отсутствует. Недостаток этого ПрЧ – модуляция напряжения гетеродина выходным сигналом с частотой f_ПЧ и ее гармониками, которая приводит к интерференционным явлениям на выходе ПрЧ.

В ПрЧ на полевом транзисторе (Рис.24.79) с отдельным гетеродином напряжение U_г через конденсатор С_св.г подводят к истоку, а напряжение U_c с контура LC, настроенного на частоту f_c, - к затвору ПТ; в цепь стока включают выходной контур L1C1, настроенный на частоту f_ПЧ. Недостатки этого ПрЧ – склонность к возбуждению на частоте f_ПЧ и повышенная мощность гетеродина, поскольку для гетеродина ПТ включен с ОЗ при его низким входном сопротивлении (см. ст.24.3).

Двухзатворный ПрЧ (Рис.24.80,а) обеспечивает развязку цепей сигнала и гетеродина благодаря подаче этих напряжений на разные затворы. Для согласования сопротивлений R₂₂ ПТ и R_вх кварцевого фильтра Q в цепь стока включают LC-контур и высокочастотный трансформатор TV. Квадратичные проходные ВАХ ПТ позволяют уменьшить нелинейные явления (см. ст.24.24, 17.15).

На Рис.24.80,б показана схема ПрЧ на дифференциальных каскадах (ДК) в интегральном исполнении (см. ст.24.23) с высокой стабильностью благодаря практически полной взаимной независимости трех цепей, в которых действуют токи с частотами f_c, f_г, f_ПЧ. Пример схемы ПрЧ массового радиоприемника на ДК показан также на рис.17.29.

На Рис.24.80,в, приведена упрощенная функциональная схема преобразователя частоты с подавлением зеркального канала – одного из побочных каналов радиоприема (см. ст. 17.15). Такой ПрЧ удобен при малом значении промежуточной частоты f_ПЧ, когда зеркальная помеха f_зп расположена близко к основному каналу f_с (см.ст. 17.15) и поэтому неэффективно подавляется селективными цепями, включенными перед ПрЧ. Обозначения фаз на схеме Рис.24.80,в, приведены для случая f_с>f_г. Напряжение сигнала u_с, f_с с фазой φ_с подводится к смесителям См непосредственно, а напряжение гетеродина u_г, f_г с фазой φ_г подводится к тем же смесителям через фазовращатели φ=+π/4 и φ=−π/4. Из рисунка видно, что сигналы на частоте f_ПЧ=f_с−f_г на выходе плеч имеют одинаковые фазы φ_ПЧ=φ_с−φ_г и складываются на выходе сумматора Σ. Напряжения ПЧ от зеркального канала f_ПЧ=f_г−f_зп на выходе плеч имеют противоположные фазы: φ_ПЧ=φ_г−φ_з.к+π/2 и φ_ПЧ=φ_г−φ_з.к−π/2. Поэтому после сложения в сумматоре Σ зеркальная помеха подавляется (коэффициенты передачи плеч одинаковые).

Шумы преобразователя частоты зависят от шумов входных и выходных цепей, гетеродина и собственно АЭ; относительный уровень их значительно выше, чем в усилителе, еще и потому, что крутизна преобразования S_пр в несколько раз меньше паспортной крутизны S проходной характеристики транзистора. Поэтому резонансный коэф. усиления ПрЧ K_0.пр меньше, чем в усилительном каскаде, а коэф. шума больше:

Ш_пр = 1+U²_ш.выхG_0экв/(P_ш.с ),

где Р_ш.с –мощность шума от источника сигнала. Коэф. Ш (дБ) = 10 lgШ.

Структуру и особенности ПрЧ супергетеродинных радиоприемников – см. ст. 17.15.

24.24. ЭЛЕКТРОНный УСИЛИТЕЛЬ аналоговых сигналов –устройство для обработки и выдачи содержащегося в сигналах сообщения в исполнительный прибор пользователю. В функции обработки входят: усиление аналоговых сигналов до необходимого для этого уровня и обеспечение заданного качества сообщения при повышении помехоустойчивости: отношение (С/П)_вых >(С/П)_вх.

Усилитель состоит из одного или нескольких активных элементов (АЭ, Рис.24.98), элементов связи ЭС (согласующих звеньев), полезной нагрузки в виде апериодических, селективных или комбинированных цепей межкаскадной связи (ЦМС) и источника питания, объединенных в один или несколько каскадов (см. ст.24.7). Энергией выходных сигналов аналогового устройства является преобразованная энергия источника питания, управляемая входным сигналом от заданного источника сигнала. Для усилителя всегда справедливо двойное неравенство:

P_ИП >Р_вых>P_вх,

то есть выходная полезная мощность сигнала больше входной, но меньше потребляемой. Отношение

Р_вых/P_вх = K_P

характеризует эффект усиления, а отношение

Р_вых/P_ИП = η

– КПД. При любых видах ЦМС, согласующих звеньев и нагрузки усилитель всегда является устройством с частотной фильтрацией сигнала – полезной или нежелательной. Поэтому основные свойства усилителя связаны с формой его АЧХ (см. ст.24.2) и коэффициентом усиления мощности K_P в пределах полосы пропускания АЧХ.

Классификация усилителей выполняется по таким признакам: полоса пропускания и абсолютное значение граничных частот; характер входных (управляющих) сигналов; тип АЭ; функциональное назначение.

Усилители постоянного тока воспроизводят сигнал в полосе частот от нулевой до верхней граничной частоты F_в; Среди усилителей переменного токаразличают: апериодические широкополосные для сигналов сообщений, в которых отношение граничных частот – верхней к нижней – F_в/F_н ≤ 10⁶, а частота F_в достигает десятков мегагерц; селективные узкополосные –с отношением полосы частот пропускания к резонансной частоте П/f₀<<1 и с различным приближением формы АЧХ к прямоугольнику (1,2<k_пр<10 – см. эту ст., ниже, «Параметры»); селективные широкополосные –с отношением П/f₀ ≈ (0,2….0,7) →1. Селективные широкополосныеусилители не следует отождествлять с апериодическими усилителями, которые работают без ограничения полосы частот снизу и с большим отношением f_в/f_н (импульсные).

Апериодические усилители применяют для обработки звуковых сообщений, полученных от микрофона (см. ст. 27.4), сообщений визуального содержания, напр., от телевизионного датчика (см. ст. 22.2), сигналов многоканальной связи, полученных и от микрофона, и от видеодатчика, и т. п.­ Селективные усилители предназначены для обработки сигналов со спектром, сосредоточенным вблизи центральной частоты на которую настраивают фильтр; в приемных устройствах это несущая или промежуточная частóты. По характеру входного сигнала различают усилители непрерывных сигналов, с относительно медленным изменением уровня, и усилители импульсных сигналов, с мгновенно изменяющимся уровнем. Схемотехника последних определяется точностью воспроизведения формы импульса, заданной для получения установившихся значений выходных параметров. Такие усилители требуют широкой полосы пропускания АЧХ.

По функциональному назначению различают усилители напряжения, тока и мощности, если размерности выходных и входных параметров сигналов совпадают; в противном случае электронную цепь следует называть устройством обработки данных. Действительно, возможны четыре варианта устройств обработки сигналов:

– при R_г<<R_вх и R_вых<<R_н – источник напряжения, управляемый напряжением, – ИНУН, усилитель напряжения (здесь R_вх и R_вых – его входное и выходное сопротивления, а R_г, R_н – сопротивления источника сигнала и нагрузки);

– при R_г>>R_вх и R_вых>>R_н – источник тока, управляемый током, – ИТУТ, усилитель тока, R_вх и R_вых – его входное и выходное сопротивления;

– при R_г<<R_вх и R_вых>>R_н – источник тока, управляемый напряжением, – ИТУН;

– при R_г>>R_вх и R_вых<<R_н – источник напряжения, управляемый током, – ИНУТ.

Приведенные аббревиатуры приняты в радиотехнической литературе. Строго говоря, усилитель напряжения (по управляющему воздействию) – устройство с высокоомным входом при низкоомном выходе, для нагрузки он – зависимый ИНУН. Усилитель тока – устройство с низкоомным входом привысокоомном выходе – зависимый ИТУТ для нагрузки. К остальным вариантам пригоден обобщенный термин – усилитель мощности, Р_вых>P_вх. В усилителе мощностиполное сопротивление нагрузки и его характер задают техническим заданием, а в усилителях токаи напряжениясопротивление нагрузки определяет разработчик устройства [3].

По типу АЭ известны: 1) усилители на полупроводниковых приборах – БТ, ПТ, ТД, оптронных парах, ОУ, ИМС; 2) усилители параметрические, напр., емкостные с варикапами, варикондами [4]; 3) усилители на электровакуумных электронных приборах – радиолампах, для больших выходных мощностей и (или) очень высоких частот. Известны УПТ без преобразования сигналов и УПТ-модемы (модулятор–демодулятор).

Параметры и характеристикиусилителя – количественная оценка энергетического эффекта усиления и меры искажений выходного сигнала относительно входного, управляющего. Основные характеристики усилителя как активного четырехполюсника (АЧХ, ФЧХ, ПХ) – см. ст. 23.8, 23.11. Дополним их еще несколькими.

Устойчивость усилителя против самовозбуждения – его способность выдерживать значения параметров в реальных условиях эксплуатации при действии паразитных положительных ОС и дестабилизирующих факторов (см. ст.24.15, 17.29). Необходимое и достаточное условие устойчивости выполняется, если деформация АЧХ, ФЧХ и ПХ от действия ПОС не превышает допустимых значений. Устойчивость оценивают, например, коэффициентом устойчивости – вызванным нежелательной положительной обратной связью относительным изменением активной проводимости селективного контура в цепи усилителя (см. ст. 17.29). Устойчивость операционного усилителя оценивают принципиально иначе (см. ст. 24.17).

Амплитудная характеристика (АХ) – зависимость установившегося значения выходного напряжения от входного напряжения.

Сквозная динамическая характеристика – зависимость выходного тока I_вых (или напряжения U_вых при заданном сопротивлении нагрузки) от ЭДС источника сигнала e_г с внутренним сопротивлением R_г. Если R_г<<R_вх, что присуще ПТ и ОУ, то используют ДХ прямой передачи, проходную ДХ – зависимость U_вых от U_вх усилителя, а влиянием сопротивления R_г пренебрегают (см., напр., Рис.24.43).

Коэффициент передачи напряжения К – модуль передаточной функции, отношение напряжений на нагрузке и на входе первого каскада усилителя на стандартной (средней) или на резонансной частоте:

K = U_вых/U_вх

Сквозной коэф. передачи напряжения

K_e = U_вых /e_г.

Коэффициент передачи тока

K_i = I_вых/I_вх.

Коэффициент усиления мощности – отношение мощностей: в нагрузке с заданным сопротивлением и подведенной от источника сигнала:

K_P = KK_i = K²R_вх/(4R_н),

где R_вх, R_н – входное и нагрузочное активные сопротивления.

Для N–каскадного усилителя коэф. передачи

K_1¸N = K₁K₂ ... K_N,

а если коэффициенты передачи каскадов одинаковы, то K_усил =K₁^N.

Связь линейных и логарифмических единиц такова:

K_P (дБ) =10lgK_P; K (дБ) = 20lgK; K_i (дБ) = 20lgK_i.

Полный сквозной коэф. передачи N-каскадного усилителя

K_усил(дБ) = K₁(дБ) + K₂(дБ) +...+ K_N(дБ).

Чувствительность – минимальные напряжение, ток или мощность на входе усилителя, достаточные для создания заданного напряжения (тока или мощности) в нагрузке в заданной полосе частот.

Реальная чувствительность – это чувствительность при заданном превышении сигнала над шумом в заданной полосе частот; ее выбор зависит от технического задания (см. ст. 17.31).

Динамический диапазон (ДД)– отношение максимального уровня (амплитуды) выходного сигнала (с допустимыми нелинейными искажениями) к минимальному уровню (с допустимым отношением сигнал/шум). Различают ДД одновременный, то есть согласованный с информативным динамическим диапазоном сигнала, и полный ДД. Последним учитывают программированное регулирование чувствительности, искусственное расширение ДД усилителяаттенюаторами, цепями АРУ (см. ст. 17.2) или искусственное сужение динамического диапазона источника сигнала,например микшированием (см. ст.24.21). Оба вида ДД оценивают по амплитудной характеристике усилителя.

Полоса пропускания сигнала П_y, оцененная по заданной ординате y нормированной АЧХ, – интервал частот, в пределах которого значение y не меньше заданного. Для апериодического усилителя

П_y = F_max-F_min, y_F = K_F/K_F0,

где F, F_minи F_max– текущая, НЧ и ВЧ рабочего диапазона частот, соответственно.

Для селективного усилителя

П_y = f_max-f_min, y_f = K_f/K_f0,

где f_max-f_min ― граничные частоты полосы П, измеренной по заданному спаду нормированной АЧХ, а f, f₀ – соответственно текущая и средняя (или резонансная) частоты АЧХ (здесь термин «средняя» относится к широкополосным селективным, термин «резонансная» – к узкополосным усилителям).