Тема 5. Входные цепи РПУ 4 страница

Схема ОЭ–ОБ получила применение на более высоких частотах, в частности в диапазонных усилителях декаметрового и метрового диапазонов, в широкополосных усилителях.

На рис.51 приведена схема каскодного усилителя ОЭ–ОБ с последовательным питанием транзисторов.

Рисунок 51 – Каскадное соединение ОЭ–ОБ

Каскодные усилители имеют на несколько порядков меньшую проводимость обратной связи, что позволяет получить высокое устойчивое усиление без использования нейтрализации.

6.7 Малошумящие усилители СВЧ

У ламповых триодов уровень шума в 3–5 раз меньше, чем у пентодов, поэтому их применение в первых каскадах ламповых приемников позволяет получить меньший коэффициент шума.

Однако на высоких частотах использование триодов в схеме с общим катодом затруднено вследствие большой проходной емкости . Например, триод 6C5D, предназначенный для работы в дециметровом диапазоне, при включении по схеме с общим катодом даже на частоте 100 МГц имеет коэффициент устойчивого усиления близкий к единице .

В схеме с общей сеткой (рис.52) усилитель имеет существенно большую устойчивость.

Рисунок 52 – Схема с общей сеткой

В этой схеме емкость , которая является причиной неустойчивой работы усилителя с общим катодом, входит в состав выходного колебательного контура 2 и не оказывает влияния на условия устойчивости.

Обратная связь по напряжению, которая в зависимости от расстройки выходного контура может быть как положительной, так и отрицательной, возможна здесь из-за емкости между анодом и катодом . Она меньше, чем из-за заземленной сетки, играющей роль электростатического экрана между анодом и катодом.

Кроме того, в усилителе с общей сеткой имеет место очень сильная (почти 100%) отрицательная обратная связь по току, так как переменная составляющая анодного тока лампы протекает в цепи источника сигнала между катодом и сеткой.

Эта связь способствует устойчивой работе усилителя с общей сеткой. Она же является причиной уменьшения входного сопротивления каскада с общей сеткой, вследствие чего уменьшается его коэффициент усиления по мощности и увеличивается шунтирование входного контура.

Усиление по напряжению схемы с общей сеткой почти такое же, как схемы с общим катодом и определяется по общим формулам.

В метровом диапазоне волн широко используется каскодная схема «общий катод–общая сетка» (ОК–ОС) (рис.53).

В ней сочетаются достоинства обоих схем: высокое входное сопротивление, большое усиление по мощности каскада с общим катодом, высокая устойчивость против самовозбуждения каскада с общей сеткой.

Чтобы каскад с общим катодом не возбуждался, его коэффициент усиления по напряжению не должен превышать единицы.

Рисунок 53 – Каскодная схема ОК–ОС

В данном случае малое усиление по напряжению достигается тем, что нагрузкой первого каскада служит малое входное сопротивление схемы с общей сеткой:

,

так как .

Усиление по напряжению дает второй каскад . Первый каскад обеспечивает усиление по мощности

,

которое достигается из-за большого входного сопротивления схемы с общим катодом.

Вследствие большого усиления по мощности первого каскада коэффициент шума каскодной схемы определяется в основном шумами первого каскада. С повышением частоты входное сопротивление и усиление по мощности схемы с общим катодом уменьшаются, приближаясь к соответствующим значениям схемы с общей сеткой. Поэтому в дециметровом диапазоне воле усилителя строят по схеме с общей сеткой. В этом диапазоне волн применяют «маячковые» лампы, предназначенные для включения по схеме с общей сеткой, в сочетании с коаксиальными резонаторами.

На частотах выше 1-2 ГГц вследствие уменьшения усиления и увеличения собственных шумов ламп рассмотренные усилители не дают выигрыша в величине коэффициента шума приемника и, следовательно, не приводят к заметному снижению его реальной чувствительности, поэтому их использование нецелесообразно.

В усилителях СВЧ применяются как схемы с общим эмиттером, так и схемы с общей базой, в зависимости от конкретных условий работы.

В усилителях по схеме с общим эмиттером коэффициент усиления по току убывает с частотой быстрее, чем в усилителях по схеме с общей базой. Произведение усиления по мощности на полосу пропускания больше в схеме с общей базой.

Схема с общей базой имеет большую устойчивость и большую стабильность параметров.

В схеме с общим эмиттером настройка входной цепи на минимум коэффициента шума приводит к меньшему рассогласованию с источником сигнала, чем в схеме с общей базой.

В зависимости от диапазона рабочих частот и требуемой полосы пропускания транзисторные усилители СВЧ выполняются как в коаксиальном, так и в полосковом исполнении.

Усилители в коаксиальном оформлении имеют сравнительно узкую полосу пропускания, относительно большие размеры и массу.

Усилители на полосковых линиях значительно более широкополосные, что важно для усилителей СВЧ. Полосковые линии могут изготовляться методом печатного монтажа с учетом конфигурации транзистора.

Широкополосные транзисторные усилители СВЧ часто выполняют балансными. Они позволяют совместить режим максимального усиления и минимального шума, обладают широкой полосой пропускания, высокой стабильностью амплитудно-частотной и фазо-частотной характеристик, повышенным динамическим диапазоном.

Характеристики балансных усилителей не критичны к разбросу параметров транзисторов. В балансных усилителях достаточно просто можно получить необходимую устойчивость без применения дополнительных развязывающих цепей.

Рисунок 54 – Схема балансного транзисторного усилителя СВЧ

На рис.54 приведена электрическая схема балансного усилителя, предназначенного для работы в диапазоне частот 3,5–4,5 ГГц.

Вход и выход усилителя соединены через трехдецибельные направленные ответвители (НО), которые на входе разделяют сигнал на две приблизительно равные части и на выходе суммируют его. Оба входных сигнала сдвигаются в НО на 90° относительно начальной фазы.

Хорошее согласование «вход–выход» позволяет каскадно соединить несколько таких устройств для получения большого усиления при малой межкаскадной связи.

Диапазонные, усилительные и шумовые характеристики балансных усилителей во многом определяются характеристиками направленных ответвителей.

Направленные ответвители могут быть как односекционными, так и многосекционными.

В настоящее время серийно выпускаются СВЧ транзисторы на частоты до 4ГГц, с коэффициентом шума около 4-6 дБ, и созданы экспериментальные усилители до 20 ГГц.

В диапазоне СВЧ применяют различные типы предварительных малошумящих усилителей: квантовые, параметрические, транзисторные, усилители на лампах бегущей волны, усилители на туннельных диодах.

Малошумящие транзисторные усилители обладают важными преимуществами: высокой надежностью (время непрерывной работы не менее часов), небольшой стоимостью, простотой, однонаправленным усилением, относительно невысоким коэффициентом шума, мгновенным вхождением в режим, простотой в обслуживании, возможностью микроминиатюризации.

В настоящее время интенсивно ведутся разработки транзисторных малошумящих усилителей для все более высоких частот.

Тема 7. Преобразователи частоты

7.1 Назначение, структурная схема и принцип работы преобразователей частоты

Преобразователем частоты называют устройство, осуществляющее перенос спектра радиосигнала из одной области частот в другую без изменения характера модуляции. Они являются частью супергетеродинного приемника. В результате преобразования получается новое значение частоты , называемой промежуточной. Частота может быть как выше, так и ниже частоты сигнала ; в первом случае происходит преобразование частоты вверх, во втором – вниз.

Как видно из диаграмм напряжений на входе и выходе ПЧ (рис.55), при преобразовании частоты закон модуляции (в данном случае – амплитудной) не нарушается, а изменяется только частота несущего колебания на выходе преобразователя.

Рисунок 55 – Временные диаграммы напряжений на входе (а) и выходе ПЧ (б)

Рисунок 57 – Структурная схема ПЧ

Режим работы ПЭ периодически во времени меняется под действием напряжения гетеродина с частотой гетеродина . В результате изменяется крутизна ВАХ преобразовательного элемента, что приводит к преобразованию сигнала.

Положим, что к ПЭ со строго квадратичной ВАХ (рис.58) приложены напряжение гетеродина и некоторое начальное напряжение смещения ; при этом .

Под действием напряжения гетеродина рабочая точка ПЭ начинает периодически изменяться во времени и, как следует из рис.58, крутизна в рабочей точке также будет периодически меняться от до . Так как , то при квадратичной ВАХ зависимость крутизны от напряжения линейна.

Следовательно, при косинусоидальном напряжении крутизна изменяется также по косинусоидальному закону и содержит постоянную составляющую и первую гармонику. Тогда

,

где - постоянная составляющая крутизны ПЭ;

- амплитуда первой гармоники крутизны ПЭ.

Ток на выходе ПЭ . Эта формула приближенная, поскольку она не учитывает ток сопротивления нагрузки.

Рисунок 58 – Вольт-амперная характеристика ПЧ

Пусть на входе ПЭ действует сигнал ,

где - функции времени.

Подставив в выражение для тока значения и , получим

.

Используя правило перемножения косинусов, запишем

. (7.1)

Согласно (1), ток на выходе ПЭ содержит составляющие трех частот: частоты сигнала , суммарной частоты и разностной частоты .

Из составляющих выходного тока используют только составляющую разностной частоты (полезная составляющая):

. (7. 2)

Фильтр на выходе преобразователя частоты выделяет только эту составляющую выходного тока, поэтому напряжение на выходе преобразователя определяется током .

Согласно (7.2), амплитуда полезной составляющей выходного тока пропорциональна амплитуде сигнала , следовательно, при преобразовании частоты закон изменения амплитуды сигнала (амплитудная модуляция) сохраняется.

Фаза тока также соответствует фазе исходного сигнала , т.е. при преобразовании частоты фазовая модуляция сохраняется.

Амплитуда тока зависит от амплитуды гармоники крутизны . При : ; (преобразования по частоте не происходит). Чем больше , тем больше , а следовательно, больше амплитуда тока и амплитуда напряжения на выходе преобразователя.

Преобразователи частоты подразделяют:

- в зависимости от вида ПЭ: диодные, транзисторные, интегральные;

- в зависимости от числа ПЭ: простые (один ПЭ), балансные (два ПЭ), кольцевые (четыре ПЭ).

Если , то положение боковых полос сигнала относительно несущей частоты после преобразования частоты не изменяется (неинвертирующий преобразователь частоты).

Если , то боковые полосы после преобразования меняются местами, нижняя становится верхней, и наоборот (инвертирующий преобразователь частоты).

Выводы:

1. При преобразовании частоты закон модуляции входного напряжения не нарушается, а изменяется только несущая частота.

2. Для преобразования частоты используются линейные цепи с периодически меняющимися параметрами.

3. Под действием напряжения гетеродина периодически во времени меняется режим работы ПЭ, в результате чего меняется с частотой крутизна ПЭ. При этом ток на выходе ПЭ содержит помимо составляющей с частотой сигнала ряд комбинационных составляющих, одна из которых с частотой (обычно или ), выделяемая фильтром, создает напряжение на выходе преобразователя частоты.

7.2 Общая теория преобразования частоты

При анализе преобразователя частоты по аналогии с резонансными усилителями решают две задачи:

1) определяют выходное напряжение , для чего находят полезную составляющую тока промежуточной частоты, которая совпадает с резонансной частотой фильтра, после чего рассчитывают основные показатели преобразователя -–коэффициент усиления, АЧХ, ФЧХ и т.д.;

2) находят составляющую входного тока преобразователя на частоте сигнала , создающую нагрузку для источника сигнала.

Анализ проведем при следующих допущениях:

1) полагаем, что на ПЭ (рис.57) действуют три гармонических напряжения:

, ; . (7.3)

Напряжения на входном и выходном фильтрах создаются входными и выходными токами различных комбинационных частот. Обычно эти напряжения малы, поскольку сопротивления фильтров для комбинационных частот незначительны;

2) считаем ; , т.е. полагаем ПЭ работающим в линейном режиме относительно напряжения сигнала; относительно напряжения гетеродина ПЭ всегда работает в нелинейном режиме;

3) ПЭ является безынерционным устройством, не содержащим емкостных и индуктивных элементов; поэтому его ток не зависит от производных или интегралов приложенных к ПЭ напряжений. Для безынерционного ПЭ входной и выходной токи определяются статическими ВАХ:

, (7.4)

. (7.5)

Составляющая тока не содержит полезной составляющей тока с частотой

. (7.6)

Преобразование частоты возможно на любой гармонике крутизны:

. (7.7)

Из этих значений используется только одно.

Если при , то преобразование частоты называется простым.

Если при , то преобразование частоты называют комбинационным; оно возможно из-за появления гармоник крутизны.

Таким образом, из всех составляющих выходного тока только одна с частотой является полезной:

, (7.8)

где соответствует (только при составляющая тока имеет промежуточную частоту).

В выражении (7.8) первое слагаемое характеризует преобразование частоты, второе – реакцию фильтра.

Крутизна прямого преобразования по определению крутизны при . Согласно (7.8),

, (7.9)

где - коэффициент пропорциональности между амплитудой выходного тока промежуточной частоты и амплитудой напряжения сигнала на входе при короткозамкнутом выходе ПЭ.

Внутренняя проводимость преобразователя частоты по определению, при . Согласно (7.8), внутренняя проводимость преобразователя равна постоянной составляющей внутренней проводимости ПЭ:

. (7.10)

Внутренний коэффициент усиления преобразователя

. (7.11)

С учетом принятых обозначений

. (7.12)

7.3 Частотная характеристика преобразователя

Под АЧХ преобразователя частоты понимают зависимость его коэффициента передачи от частоты входного сигнала при фиксированной частоте гетеродина; частота сигнала изменяется в широких пределах.

Пусть в качестве фильтра преобразователя используется одиночный резонансный контур, настроенный на частоту (рис.59).

Рисунок 59 – Эквивалентная схема ПЧ

С изменением при фиксированном значении промежуточная частота меняется.

Графические зависимости , построенные согласно (7.7), показаны на рис.60а. При ; при и т.д.

Рисунок 60 – Графические зависимости

Таким образом, различным значениям соответствуют различные значения , причем значение зависит от номера гармоники крутизны, на которой происходит преобразование частоты. Напряжение на выходном контуре преобразователя появится только при выполнении условия резонанса, т.е. при .

Согласно рис.6а, условие резонанса выполняется не на одной частоте сигнала, а на нескольких частотах ; следовательно, АЧХ преобразователя имеет несколько подъемов. Каждому подъему соответствует определенная полоса пропускания, через которую на выход приемника могут проходить составляющие спектра сигнала и помех. Такие полосы пропускания называют каналами приема. Каждый канал соответствует своей частоте сигнала. АЧХ преобразователя показана на рис.60б, форма АЧХ каждого канала зависит от вида фильтра ПЧ.

7.4 Диодные преобразователи частоты

В большинстве приемников сверхвысоких частот в качестве ПЭ преобразователей частоты используют кристаллические диоды, обладающие малым временем пролета электронов (малой инерционностью) и сравнительно малыми шумами.

Недостаток диодных преобразователей – отсутствие усилительных свойств.

Такие преобразователи частоты применяют и в профессиональных РПУ декаметрового диапазона.

На рис.61 показана схема диодного ПЧ.

Рисунок 61 – Схема диодного ПЧ

Фильтр настроен на частоту . Частичное подключение диода к входному и выходному контурам снижает шунтирующее действие на них сопротивления диода.

В реальных конструкциях диодных ПЧ СВЧ входной контур выполняют в виде отрезков полосковых или коаксиальных линий, а также в виде объемных резонаторов. В некоторых преобразователях предусматривают источник напряжения смещения , оптимизирующий рабочий участок ВАХ диода.

На рис.62 представлена типовая ВАХ диода; рабочую точку выбирают обычно в начале координат (в рассматриваемом случае напряжение ). Согласно рис.61 напряжение на диоде при . Поскольку , можно считать, что . По ВАХ диода, учитывая , можно построить зависимость .

Рисунок 62 – Диаграммы изменения тока диода и крутизны