Тема 5. Входные цепи РПУ 3 страница

Объемный резонатор может служить трансформирующим элементом.

В последнее время вместо отрезков коаксиальных линий и волноводов используют отрезки микрополосковых линий.

Входные устройства приемников СВЧ в конструктивном отношении нераздельно связаны с высокочастотным блоком, содержащим лампу бегущей волны, параметрический усилитель, усилитель на туннельном диоде или кристаллический преобразователь. Поэтому их удобнее рассматривать вместе.

Тема 6. Усилители радиочастоты

6.1 Назначение и основные характеристики усилителя радиочастоты

Усиление на частоте принимаемого сигнала производится с помощью усилителей радиочастоты (УРЧ). Кроме усиления должна обеспечиваться и частотная избирательность. Для этого усилители содержат резонансные элементы межкаскадной связи: одиночные колебательные контуры или системы связанных контуров.

Диапазонные УРЧ должны иметь контуры с переменной настройкой. Они чаще всего выполняются одноконтурными.

В диапазонах умеренно высоких частот активным элементом усилителя служит электронная лампа или транзистор.

На СВЧ применяются усилители с лампами бегущей волны, на туннельных диодах, параметрические и квантовые усилители.

В большинстве современных приемников используют однокаскадные УРЧ. Реже, при высоких требованиях к избирательности и коэффициенту шума, УРЧ могут содержать два или более каскадов.

Основные электрические характеристики усилителей:

1. Резонансный коэффициент усиления напряжения

.

В полосовых усилителях резонансный коэффициент усиления определяется на средней частоте полосы пропускания.

Коэффициентом усиления по мощности называют величину отношения мощности в нагрузке к мощности, потребляемой на входе усилителя:

,

где - активная составляющая входной проводимости усилителя;

- активная составляющая проводимости нагрузки.

Нагрузкой УРЧ чаще всего служит вход следующего каскада усилителя или преобразователя частоты.

2. Избирательность усилителя показывает относительное уменьшение усиления при заданной расстройке. Иногда избирательность характеризуют коэффициентом прямоугольности.

3. Коэффициент шума, определяющий шумовые свойства усилителя.

4. Искажения сигнала в усилителе. В УРЧ искажения могут быть: нелинейные, вызываемые нелинейностью характеристики активного элемента, и линейные – амплитудно-частотные и фазо-частотные.

5. Устойчивость работы усилителя определяется его способностью сохранять в процессе эксплуатации основные характеристики, а также отсутствием склонности к самовозбуждению.

6.2 Схемы усилителя радиочастоты

В усилителях радиочастоты находят применение в основном две схемы включения активного элемента: с общим катодом (ОК) и общей сеткой (ОС) в ламповых усилителях; с общим эмиттером (ОЭ) и общей базой (ОБ) в транзисторных (биполярных) усилителях; с общим истоком (ОИ) и общим затвором (ОЗ) в каскадах на полевых транзисторах.

Усилители с общим катодом (эмиттером, истоком) в диапазонах километровых, гектометровых, декаметровых и метровых волн позволяют получить наиболее высокое усиление по мощности по сравнению с другими схемами включения.

Усилители с общей сеткой (базой, затвором) отличаются большей устойчивостью против самовозбуждения. Поэтому в дециметровом диапазоне волн ламповые усилители используются только в схеме с общей сеткой.

Транзисторные усилители с общей базой (затвором) используются и на более длинноволновых диапазонах.

Принципы построения и анализа резонансных усилителей идентичны для различных схем включения усилительных приборов, потому в основном будем рассматривать усилители с общим катодом (эмиттером, истоком).

По способу связи контура с активными элементами различают схемы с непосредственной, автотрансформаторной и трансформаторной связью.

Схемы с непосредственной связью контура используются при больших входных и выходных сопротивлениях активного элемента (например, в усилителях на электронных лампах и на полевых транзисторах).

Рисунок 44 – Резонансный усилитель на полевом транзисторе

Рассмотрим схему резонансного усилителя на полевом транзисторе (рис.44).

Его отличие от резисторного в том, что в цепь стока включен колебательный контур, содержащий индуктивность и емкости , . Настраивается контур на резонансную частоту конденсатором переменной емкости .

На частоте резонанса контур имеет наибольшее эквивалентное активное сопротивление. При этом коэффициент усиления усилителя будет максимальным, называемым резонансным. На частотах, отличающихся от резонансной, эквивалентное сопротивление и коэффициент усиления уменьшаются, что определяет избирательные свойства усилителя.

Поскольку величина емкости конденсатора в 50 – 100 раз превышает максимальную емкость конденсатора , то резонансная частота контура определяется практически параметрами и .

В схеме применено последовательное питание стока через развязывающий фильтр и индуктивность (полевых транзисторах сток и исток можно поменять местами). Исходный режим на затворе определяется величиной падения напряжения тока истока на . Емкость устраняет отрицательную обратную связь по переменному току. Конденсатор разделительный. Резистор служит для подачи исходного напряжения на затвор.

Полевые транзисторы с изолированным затвором позволяют получить очень малую величину проходной емкости, обеспечивающую устойчивую работу усилителя даже на СВЧ, с показателями, лучшими, чем у электронных ламп.

Схемы с автотрансформаторной и трансформаторной связью контурапозволяют устанавливать необходимую величину связи контура с активными элементами для достижения заданной избирательности и усиления, а также для повышения устойчивости работы усилителя.

Автотрансформаторная и трансформаторная схемы связи используются как в ламповых, так и в транзисторных усилителях, но особенно характерно их применение в усилителях на биполярных транзисторах, вследствие сравнительно малых входного и выходного сопротивлений у них даже на относительно невысоких частотах.

Рассмотрим автотрансформаторные и трансформаторные схемы связи на примере усилителей на биполярных транзисторах (рис.45, 46).

На рис.45 приведена схема с двойной автотрансформаторной связью контура с транзисторами. Ее отличие от схемы рис.44 в том, что контур подключен к усилительным приборам с помощью отводов с коэффициентами трансформации и . Напряжение питания на коллектор подано через развязывающий фильтр и часть витков катушки индуктивности контура . Исходный режим и температурную стабилизацию обеспечивают с помощью резисторов . Емкость устраняет отрицательную обратную связь по переменному току. Конденсатор – разделительный, предотвращает попадание питающего напряжения коллектора в цепь базы.

Рисунок 45 – Схема с двойной автотрансформаторной связью контура

На рис.46 приведена схема с трансформаторной связью.

Контур имеет трансформаторную связь с коллектором транзистора данного каскада и автотрансформаторную со входом следующего. Трансформаторная связь конструктивно более удобна (более гибкая).

Общим для всех схем является двойное частичное включение контура. Полное включение можно рассматривать как частный случай, когда коэффициенты включения (трансформации) равны единице.

Рисунок 46 – Схема с трансформаторной связью

6.3 Обратные связи в усилителях радиочастоты

В усилителях в целом и в отдельных его каскадах всегда образуются цепи, создающие пути для прохождения усиливаемого сигнала с выхода на вход. Эти цепи создают обратные связи.

При сильной положительной обратной связи может наступить самовозбуждение и усилитель превратится в генератор незатухающих колебаний. Если из-за обратной связи усилитель не возбуждается, но близок к самовозбуждению, то его работа будет неустойчива.

При малейшем изменении параметров усилительного прибора, например из-за изменения напряжения источника питания, температуры, будут резко меняться и усиление и полоса пропускания усилителя. Поэтому к усилителю предъявляют требование устойчивости, под которым понимают не только необходимость отсутствия самовозбуждения, но главным образом постоянство его параметров в процессе эксплуатации.

Причины образования обратных связей в усилителях:

1. Наличие внутренней обратной проводимости в усилительных приборах, связывающей входные и выходные цепи каскадов.

2. Связь через общие источники питания нескольких каскадов усиления.

3. Индуктивные и емкостные обратные связи, возникающие между монтажными проводами, катушками и другими деталями усилителя.

Обратная связь в усилителях возможна через общие цепи питания, через внешние элементы схемы, через проводимость внутренней обратной связи активного элемента. Первые два вида обратной связи, в принципе, могут быть устранены рациональным построением схемы и конструкции усилителя.

Обратная связь через общий источник питания в многокаскадных схемах, где элементом связи служит его внутреннее сопротивление, является одной из важных причин неустойчивости усилителей.

Эти обратные связи ослабляются в нужной степени введением в усилитель соответствующих развязывающих фильтров, состоящих из резисторов и емкостей , и снижением внутреннего сопротивления источника питания для переменных токов (например, шунтированием его большой емкостью).

Вредные магнитные и емкостные обратные связи устраняются рациональной конструкцией усилителя и его монтажа и экранированием основных элементов входной и выходной цепи отдельных каскадов.

Внутренняя обратная связь, принципиально присущая усилительным приборам, является главной причиной неустойчивости усилителей. Поэтому ее наличие должно учитываться при расчете усилителей.

Рассмотрим влияние внутренней обратной связи. Внутренняя обратная связь в усилителе обусловлена обратной проводимостью .

Через внутреннюю обратную связь создаются паразитные влияния выходного контура усилителя на входной (рис.47). При анализе свойств и параметров усилителя проводимость внутренней обратной связи до сих пор принималась равной нулю. Однако она всегда существует и необходимо установить, как следует учитывать ее влияние на работу отдельных каскадов и всего усилителя.

На рис.47 приведена упрощенная принципиальная схема каскада усилителя с автотрансформаторным включением контура I во входную цепь и контура II в выходную цепь усилительного прибора.

Рисунок 47 – К вопросу о влиянии внутрен­ней обратной связи

Предположим, что контуры I и II достаточно хорошо экранированы один от другого и в цепи питания включены блокирующие фильтры. В этом случае единственным источником обратной связи, которая может привести к самовозбуждению усилителя, будет проводимость усилительного прибора.

Наличие в усилительных приборах внутренней обратной связи через проводимость приводит к влиянию нагрузки и выходной проводимости усилительного прибора на его входную проводимость и изменяет ее характер.

6.4 Устойчивость работы усилителя радиочастоты

Наличие в усилительных приборах внутренней обратной связи приводит к взаимному влиянию контуров УРЧ (входного I и выходного II, рис.4), а также к нестабильности в процессе эксплуатации основных параметров усилителя: коэффициента усиления, полосы пропускания, избирательности и др.

Причем комплексный характер проводимости и крутизны усилительного прибора приводит к сложной частотной зависимости этого влияния.

Во входной контур I вносится дополнительная проводимость, которая в общем случае имеет комплексный характер и вызывает искажение формы его частотной характеристики.

Эти искажения тем сильнее, чем больше коэффициент усиления усилителя.

Для нормальной и устойчивой работы УРЧ необходимо обеспечить малое изменение формы его частотной характеристики под влиянием внутренней обратной связи. Для этого необходимо определить максимальное значение коэффициента усиления каскада, при котором эти искажения еще не будут влиять на качество работы усилителя.

Подобные искажения частотной характеристики под влиянием внутренней обратной связи приводят к неустойчивости ее формы. Небольшие изменения параметров усилительного прибора, вызванные неизбежными в процессе эксплуатации изменением температуры или режима питания, приводят к изменению формы частотной характеристики.

Для того чтобы форма частотной характеристики входного контура и его полоса пропускания не сильно искажались, необходимо, чтобы вносимая обратной связью проводимость практически не влияла на полную проводимость входного контура.

Усилитель считается устойчивым (устойчиво работающим), если внутренняя обратная связь усилительного прибора незначительно изменяет форму его частотной характеристики и полосу пропускания.

Для количественной оценки степени устойчивости используется коэффициент устойчивости, который характеризует влияние внутренней обратной связи на искажение частотной характеристики входного контура.

Коэффициент устойчивости равен отношению

,

где - эквивалентное сопротивление, добротность и полоса пропускания входного контура без учета влияния внутренней обратной связи;

- эквивалентное сопротивления, добротность и полоса пропускания входного контура с учетом влияния внутренней обратной связи.

Таким образом, за критерий устойчивости принимается величина, которая показывает, во сколько раз изменяется добротность и полоса пропускания входного контура за счет влияния внутренней обратной связи.

Если обратные связи отсутствуют, то и .

Если же обратные связи полностью скомпенсировали потреи во входном контуре и усилитель самовозбуждается, то и .

Таким образом, коэффициент устойчивости изменяется от 0 до 1. Чем больше коэффициент устойчивости, тем дальше усилитель от состояния самовозбуждения, тем меньше искажение формы его частотной характеристики и изменение полосы пропускания.

Можно допустить изменение полосы пропускания входного контура под влиянием внутренней обратной связи на (10-20)%, для чего обычно принимают .

Многокаскадные усилители более склонны к самовозбуждению за счет проводимости , чем однокаскадные.

6.5 Искажения в усилителях радиочастоты

Усиливаемые УРЧ сигналы обычно имеют сложную форму, т.е. состоят из колебаний различных частот с различными амплитудами и фазами. УРЧ может вносить в усиливаемый сигнал следующие виды искажений: амплитудно-частотные, фазо-частотные и нелинейные.

В связи с тем, что полоса пропускания УРЧ обычно значительно шире, чем основного избирательного тракта промежуточных частот, то практически УРЧ амплитудно-частотных искажений в усиливаемый сигнал не вносит. Такие УРЧ практически не вносят и фазо-частотных искажений, поскольку они широкополосные и обычно не содержат более двух каскадов.

Исключение составляют УРЧ диапазона километровых волн (10-500 кГц).

Наибольшую опасность в УРЧ представляют нелинейные искажения. Если характеристика усилительного прибора нелинейна для области амплитуд полезного сигнала на входе УРЧ, то в нем могут возникать нелинейные искажения.

При большой амплитуде мешающих сигналов и нелинейности характеристики усилительного прибора УРЧ между полезным и мешающим сигналами возникает нелинейное взаимодействие.

В результате появляются нелинейные явления, такие, как:

- перекрестная модуляция;

- забитие полезного сигнала мешающим сигналом;

- взаимная модуляция (интермодуляция) между мешающими сигналами, частоты которых не совпадают с частотой настройки УРЧ, на продукты их взаимодействия попадают в полосу пропускания полезного сигнала или совпадают с частотами дополнительных каналов приема.

Перекрестная модуляция проявляется в том, что сигнал мешающей станции, значительно отличающийся по частоте от сигнала принимаемой станции (полезного), на частоту которой настроен УРЧ, существует на выходе УРЧ одновременно с полезным сигналом.

При прекращении работы станции, на частоту которой настроен УРЧ (пропадании полезного сигнала), мешающий сигнал полностью пропадает.

Перекрестная модуляция возникает в УРЧ при одновременном взаимодействии на его входе двух и более (полезного и мешающих) сигналов, из которых хотя бы один мешающий сигнал большой амплитуды.

Этот сигнал с большей амплитудой перемещает рабочую точку усилительного прибора на нелинейной части его характеристики со своей собственной частотой.

В результате происходит изменение крутизны характеристики усилительного прибора за счет действия сильного мешающего сигнала и перенос модуляции с мешающего сигнала на полезный.

При этом ухудшается различимость полезного сигнала, а при больших уровнях помехи прием становится невозможным.

Величина перекрестной модуляции не зависит от амплитуды полезного сигнала, поэтому ее нельзя уменьшить за счет увеличения амплитуды полезного сигнала.

В коротковолновом диапазоне уровень мешающих сигналов на входе УРЧ может достигать единиц и даже десятков вольт.

Забитием УРЧ помехой называют уменьшение усиления УРЧ и соответствующее ослабление полезного сигнала под действием мешающего сигнала близкой частоты и очень большой амплитуды.

Полосу частот, в которой наблюдается это явление, называют полосой забития.

Явление забития объясняется теми же причинами, как и перекрестная модуляция.

При очень больших амплитудах мешающих сигналов происходит не только модуляция крутизны, но и уменьшение ее среднего значения; может также резко возрастать постоянная составляющая входного тока усилительного прибора.

Взаимная модуляция (интермодуляция) происходит в усилителе радиочастоты при одновременном воздействии на его входе двух и более мешающих сигналов (например, частоты и ) большой амплитуды, выходящей за пределы линейного рабочего участка характеристики усилительного прибора.

В результате взаимодействия этих сигналов возникают комбинационные помехи вида:

- , совпадающие с частотой настройки УРЧ;

- , совпадающие с частотой зеркального или дополнительного каналов;

- , совпадающие с промежуточной частотой приемника.

Составляющие особенно опасны, так как контур УРЧ настроен на эту частоту.

Одним из лучших методов борьбы со всеми рассмотренными видами нелинейных искажений является улучшение эффективной избирательности УРЧ.

Для этого необходимо повысить избирательность входной цепи, применять в первых каскадах УРЧ усилительные приборы с линейной характеристикой и не включать первые каскады УРЧ в систему АРУ.

6.6 Схемы каскадов усилителей радиочастоты

Существуют пассивные и активные методы повышения устойчивости.

Пассивные методы сводятся к уменьшению фактического коэффициента усиления до величины, равной или меньшей устойчивой, чтобы выполнялось неравенство

.

Это можно сделать уменьшением коэффициентов включения контуров или уменьшением контуров.

Активные методы повышения устойчивости позволяют увеличить и, тем самым, реализовать потенциальные усилительные возможности лампы или транзистора. К этим методам относятся:

а) нейтрализация внутренней обратной связи внешней обратной связью;

б) каскадное соединение активных элементов.

Нейтрализация внутренней обратной связи внешней. Внутреннюю обратную связь активного элемента можно нейтрализовать с помощью специальных цепей. Если устранить ее влияние, то отпадает ограничение величины коэффициента усиления, налагаемое условием устойчивости и от усилителя можно получить максимально возможное усиление.

Известны различные схемы нейтрализации:

1) последовательная;

2) параллельная;

3) последовательно-параллельная;

4) параллельно-последовательная.

Рассмотрим нейтрализацию параллельного типа (типа ), получившую широкое распространение.

Схема нейтрализации параллельного типа представляет собой параллельное соединение двух четырехполюсников: активного элемента и нейтрализующего пассивного (рис.48).

Рисунок 48 – Нейтрализация параллельного типа

Найдем результирующий параметр двух параллельно соединенных четырехполюсников. По определению

.

Обратная связь отсутствует, если . Отсюда получаем условие нейтрализации .

Следовательно, цепь нейтрализации должна иметь схему, аналогичную цепи активного четырехполюсника. Напряжение обратной связи через цепи нейтрализации должно подаваться на вход усилителя в противофазе с тем, которое попадает на вход через цепь внутренней обратной связи. В практических схемах используют автотрансформаторный или трансформаторный фазоинвертор.

На рис.49 приведена схема усилителя с автотрансформаторным фазоинвертором и параллельной цепью нейтрализации .

Параллельная цепь может обеспечить точную нейтрализацию в полосе частот, в пределах которой и практически постоянны. У транзисторов и зависят от частоты, поэтому в диапазонных и широкополосных транзисторных усилителях нейтрализация не применяется.

В настоящее время нейтрализацию используют в узкополосных усилителях промежуточной частоты (УПЧ).

Возможна также последовательная цепь нейтрализации. Она обеспечивает точную нейтрализацию только на одной (обычно резонансной) частоте. Ее удобно использовать в тех случаях, когда не должно быть гальванической связи между выходной и входной цепями усилителя, поскольку одновременно играет роль разделительного конденсатора.

Рисунок 49 – Схема с параллельной цепью нейтрализации

Каскадное соединение активных элементов. Для повышения устойчивости усилителей используют каскадное соединение двух активных элементов, при котором выход одного активного элемента соединяется со входом второго непосредственно, без частотно-независимых цепей.

Влияние внутренней обратной связи при таком соединении уменьшается, так как эквивалентная проводимость обратной связи определяется обратной взаимной проводимостью двух усилительных приборов.

Возможны различные варианты соединения двух активных элементов. Большое распространение в ламповых усилителях получило соединение «общий катод–общая сетка» (ОК–ОС). Такое соединение получило название каскодная схема.

Каскодными называют транзисторные схемы, у которых отсутствуют частотно-независимые связи между каскадно включенными транзисторами.

Для анализа такое соединение удобно рассматривать как один каскад, у которого оба усилительных прибора замещаются некоторым эквивалентным активным четырехполюсником (рис.50).

Рисунок 50 – Каскадное соединение активных элементов

В настоящее время в усилителях на биполярных транзисторах наибольшее распространение получили схемы: «общий эмиттер–общий эмиттер» (ОЭ–ОЭ) и «общий эмиттер–общая база» (ОЭ–ОБ).

Схема ОЭ–ОЭ используется на частотах (например, в усилителях промежуточной частоты радиовещательных приемников).