Тема 8. Тракт промежуточной частоты РПУ

8.1 Назначение и классификация УПЧ

Усилителем промежуточной частоты (УПЧ) называются каскады супергетеродинного радиоприемника, усиливающие принимающие сигналы на постоянной для данного радиоприемника промежуточной частоте.

УПЧ выполняет две важнейшие задачи:

1) обеспечивает основные усиление принимаемого сигнала до величины, необходимой для нормальной работы детектора;

2) обеспечивает основную избирательность всего радиоприемника по отношению к сигналам соседних станций (по соседнему каналу) при допустимом уровне искажений информации в принимаемом сигнале.

В структурной схеме супергетеродинного радиоприемника УПЧ размещаются между преобразователем частоты и детектором.

Основное отличие УПЧ от УРЧ в том, что избирательные цепи УПЧ всегда настроены на постоянную для данного радиоприемника промежуточную частоту . Это позволяет применять в УПЧ сложные избирательные цепи с амплитудно-частотными характеристиками, близкими к прямоугольным, и обеспечивать высокую избирательность при необходимом качестве воспроизведения усиливаемого сигнала.

УПЧ по своей структуре и режиму работы, в принципе, не отличаются от УРЧ, работающих в том же диапазоне частот. Только последние каскады УПЧ работают при сравнительно больших амплитудах усиливаемого сигнала. Поэтому необходимо обеспечивать линейность амплитудной характеристики УПЧ, выбирая соответствующие усилительные приборы и их режим.

УПЧ классифицируют по ряду следующих признаков:

- по типу усилительного прибора (транзисторные, ламповые и т.п.);

- по числу каскадов (однокаскадные и многокаскадные);

- по применяемым избирательным цепям (одноконтурные, с полосовым фильтром, с ФСИ и т.п.);

- по ширине полосы пропускания (узкополосные и широкополосные).

Для узкополосных усилителей характерно уменьшение коэффициента усиления каскада при сужении полосы пропускания (при неизменной конструктивной добротности контура). Применяются в профессиональных связны и радиовещательных приемниках АМ сигналов в диапазонах ДВ, СВ и КВ.

В широкополосных усилителях коэффициент усиления каскада уменьшается при расширении полосы пропускания. Применяются в телевизионных и радиолокационных приемниках, а также в радиоприемниках станций радиорелейной, тропосферной, спутниковой и космической связи.

Тракт промежуточной частоты строится с использованием каскадов:

- с одиночными настроенными в резонанс контурами;

- с двухконтурными полосовыми фильтрами;

- с фильтрами сосредоченной избирательности (ФСИ), в том числе с электромеханическими, пьезоэлектрическими, пьезокерамическими.

В широкополосных УПЧ, кроме того, используются пары и тройки расстроенных каскадов.

УПЧ характеризуются теми же основными показателями, что и УРЧ.

8.2 УПЧ с одноконтурными, настроенными на одну частоту каскадами

Одноконтурные УПЧ во многом сходны с резонансным УРЧ. В отличие от усилителей радиочастоты УПЧ обычно работают на фиксированной частоте и могут иметь большое число каскадов для достижения заданного усиления.

Рассмотрим основные характеристики усилителя, содержащего идентичных каскадов. Для - каскадного усилителя коэффициент усиления

, (8.1)

а резонансный коэффициент усиления

. (8.2)

Уравнение резонансной кривой

. (8.3)

При условии выражение (8.3) примет вид

. (8.4)

Из (8.4) при неравномерности полоса пропускания УПЧ

. (8.5)

При неравномерности

, (8.6)

где - полоса пропускания каждого каскада,

- функция числа каскадов.

Из (8.6) видно, что полоса пропускания многокаскадного усилителя уже, чем однокаскадного. Поэтому для получения заданной результирующей полосы пропускания - каскадного усилителя надо расширять полосу каждого каскада. Для этого затухание каждого контура выбирают равным

. (8.7)

Коэффициент прямоугольности резонансной кривой усилителя

. (8.8)

Из (8.8) следует, что коэффициент прямоугольности зависит только от числа каскадов. У однокаскадного усилителя . С ростом числа каскадов прямоугольность улучшается. Однако возможности улучшения ограничены, так при .

Фазовая характеристика многокаскадного усилителя

. (8.9)

Рассмотрим отдельно некоторые характерные особенности ламповых и транзисторных одноконтурных УПЧ.

В ламповом УПЧ обычно коэффициенты и равны единице. Поэтому с учетом (8.7) из (8.2) резонансный коэффициент усиления

, (8.10)

где , . (8.11)

- коэффициент усиления одного каскада с полосой пропускания, заданной для всего многокаскадного усилителя.

Выражение (8.11) показывает, что усиление тем меньше, чем больше емкость контура и полоса усиливаемых частот.

В узкополосных усилителях получить большое усиление нетрудно. В них величина усиления ограничена условием устойчивости. Поэтому величину емкости контура обычно выбирают из условия получения устойчивого усиления. При этом, чем больше величина емкости контура , тем выше стабильность показателей усилителя.

В широкополосных усилителях довольно трудно получить большое усиление. Поэтому емкость контура желательно уменьшить до минимального значения , а лампу выбирать с максимальной величиной .

В транзисторных узкополосных усилителях стремятся создать режим, при котором достигается максимальный коэффициент усиления при заданном результирующем затухании контура. Такой режим получается выбором коэффициентов трансформации и . При этом коэффициент усиления определяется выражением

,

где .

Отсюда видно, что при уменьшение результирующей полосы пропускания ведет к уменьшению и наоборот. Эквивалентное затухание и полоса пропускания при увеличивается за счет увеличения связи контура с усилительным прибором данного каскада и с нагрузкой. Вносимые реактивности при этом компенсируются настройкой контура без изменения характеристического сопротивления контура, что возможно до определенного критического значения , после чего расширение полосы пропускания оказывается возможным только за счет увеличения конструктивного затухания контура . Это ведет к уменьшению и падению усиления.

При увеличении емкости контура до определенного критического значения уменьшается эквивалентное резонансное сопротивление контура и одновременно увеличиваются коэффициенты и , так, что коэффициент усиления остается неизменным до тех пор, пока величина остается меньше единицы. Поэтому в узкополосных усилителях без ущерба для усиления емкость контура можно брать большой, что полезно для повышения стабильности показателей усилителя.

В широкополосных транзисторных усилителях, как и в ламповых, коэффициент усиления обратно пропорционален полосе пропускания и емкости контура.

Усилители с одинаково настроенными одиночными контурами применяют при полосе пропускания не более 3 МГц и коэффициенте усиления порядка . Чтобы получить большее произведение коэффициента усиления на полосу пропускания используют усилители с расстроенными парами, тройками контуров или с двухконтурными полосовыми фильтрами.

8.3 УПЧ с парами расстроенных каскадов

В рассматриваемых усилителях колебательный контур одного каскада каждой пары настраивается на частоту , меньшую средней частоты полосы пропускания , а контура другого каскада – на частоту , большую .

Результирующая резонансная кривая пары таких каскадов определяется произведением резонансных кривых отдельных каскадов (рис.67).

Рисунок 67 – Резонансная кривая расстроенной пары контуров

В - каскадном усилителе общее число каскадов берется кратно двум, половина из них настроена на частоту , вторая половина – на частоту . Результирующий коэффициент усиления

,

его модуль

,

где , , .

Уравнение резонансной кривой усилителя

. (8.12)

где - обобщенная расстройка между контурами;

, ;

- множитель, в ламповом усилителе он равен единице, в транзисторном .

Для симметрии резонансной кривой должны выполняться условия равенства расстроек и полос пропускания всех пар контуров, т.е. и .

В транзисторном усилителе, кроме того, множитель должен быть равен единице, для этого необходимо выбирать транзистор, у которого .

Частотная характеристика в зависимости от обобщенной расстройки может быть одногорбой при или двугорбой при . При критической расстройке ( ) резонансная кривая имеет наиболее плоскую вершину («плоско расстроенная» пара), она используется наиболее часто.

Уравнение фазовой характеристики усилителя определяется суммой фазовых характеристик отдельных каскадов:

.

Наиболее линейная фазовая характеристика у плоско расстроенной пары. Усилители с попарно расстроенными каскадами позволяют получить полосу пропускания почти в два раза шире, чем в усилителях с одинаково настроенными каскадами, при том же усилении и при прочих равных условиях.

8.4 УПЧ с тройками расстроенных каскадов

Общее число каскадов кратно трем. Одна треть всех каскадов настроена на частоту , несколько ниже средней частоты полосы пропускания . Вторая треть общего числа каскадов настроена на частоту , несколько выше средней частоты . Оставшиеся каскады настраиваются на частоту .

Результирующий коэффициент усиления

,

его модуль

.

Если выполнены условия симметрии: , и использован активный элемент с достаточным запасом по частоте, то уравнение резонансной кривой усилителя будет

.

Откуда видно, что форма резонансной кривой усилителя определяется величиной обобщенной расстройки между контурами . Критическое значение расстройки равно .

Рисунок 68 – Резонансная кривая расстроенной тройки контуров

При этом резонансная кривая имеет наиболее плоскую вершину («плоско расстроенная» тройка контуров). При резонансная кривая одногорбая. При резонансная кривая усилителя трехгорбая с двумя впадинами (рис.68).

Фазовая характеристика усилителя определяется суммарным значением фазовых характеристик отдельных каскадов. Усилители с тройками расстроенных каскадов используются при необходимости получить полосу пропускания более 8 МГц и коэффициент усиления порядка .

8.5 Усилитель с двухконтурным фильтром

Двухконтурные фильтры применяются как в широкополосных, так и в узкополосных усилителях.

Возможны различные варианты схем усилителей с двухконтурными фильтрами, отличающиеся видом связи между контурами и связи контуров с активными элементами.

Наибольшее распространение получила индуктивная и внешнеемкостная связь между контурами.

Связь контуров с активными элементами обычно бывает автотрансформаторная или при помощи емкостного делителя.

Рассмотрим схему с индуктивной связью между контурами фильтра (рис.69).

Рисунок 69 – Усилитель с двухконтурным фильтром

Для анализа перейдем к эквивалентной схеме, в которой выход активного элемента заменим генератором тока с выходной активной проводимостью и емкостью , а вход следующего каскада заменим проводимостью и емкостью .

Пересчитанная эквивалентная схема показана на рис.70, где ; - полные емкости контуров;

; - полные эквивалентные проводимости контуров.

На основании теоремы об эквивалентном генераторе заменим генератор тока генератором ЭДС (рис.71).

Рисунок 70 – Эквивалентная схема усилителя

ЭДС находится как напряжение холостого хода между точками 1–1 исходной схемы . Зная коэффициент передачи фильтра , можно найти коэффициент усиления каскада:

, (8.13)

где - характеристическое сопротивление первого контура.

Рисунок 71 – Приведенная эквивалентная схема

Выражение (8.13) справедливо не только для усилителя с двухконтурным фильтром, но и для фильтра с любым числом контуров при соответствующем значении .

Из (8.13) видно, что фазовая характеристика полосового усилителя определяется фазовой характеристикой фильтра и активного элемента. В отличие от одноконтурного усилителя она имеет дополнительный фазовый сдвиг на .

Модуль коэффициента усиления

.

Вблизи резонанса частотная характеристика усилителя в основном определяется характеристикой фильтра:

. (8.14)

Из теории линейных цепей известны выражения для . В частности, для двухконтурного фильтра при одинаковых параметрах контуров

, (8.15)

где - обобщенный коэффициент связи между контурами.

С учетом (8.15) выражение (8.14) примет вид

.

В - каскадном усилителе коэффициент усиления

. (8.16)

При резонансе

. (8.17)

Из (8.16) и (8.17) уравнение резонансной кривой усилителя при условии, что активный элемент выбран с достаточным запасом по частоте, будет

. (8.18)

Сравнивая (8.18) и (8.12) видно, что у каскада с двухконтурным фильтром частотная характеристика такая же, как у пары расстроенных каскадов. Форма ее зависит от величины обобщенного коэффициента связи .

При резонансная кривая одногорбая.

При (критическая связь) резонансная кривая имеет наиболее плоскую вершину.

При резонансная кривая двугорбая.

Наилучшая прямоугольность формы резонансной кривой получается при такой связи, когда впадина между горбами становится равной заданной неравномерности характеристики в пределах полосы пропускания.

Для настройки удобнее фильтры с критической связью между контурами. При этом и фазовая характеристика наиболее приближается к линейной, что является решающим фактором для некоторых видов сигналов.

8.6 УПЧ с фильтром сосредоточенной избирательности (ФСИ)

Виды ФСИ

Фильтры сосредоточенной избирательности (ФСИ) используются для того, чтобы получить высокую избирательность и одновременно хорошую равномерность усиления в заданной полосе пропускания, т.е. чтобы обеспечить хорошую прямоугольность формы частотной характеристики.

В настоящее время находят применение электрические фильтры различной сложности, электромеханические, пьезоэлектрические, пьезокерамические и пьезомеханические фильтры. Такие фильтры обычно включают на входе УПЧ, ими в основном и определяется форма частотной характеристики тракта. Остальные каскады УПЧ выполняют функцию усиления, поэтому их полосу пропускания делают более широкой, чем ФСИ, чтобы не ухудшить результирующую частотную характеристику.

Сосредоточение избирательности в одном каскаде обеспечивает большую устойчивость формы резонансной кривой тракта при изменении температуры и режима питания.

На рис.72–75 приведены некоторые варианты схем ФСИ.

Многозвенный фильтр (рис.72) строится на основе методов общей теории электрических фильтров. Электрические фильтры используются как в широкополосных, так и в узкополосных УПЧ приемников.

Рисунок 72 – Усилитель с фильтром сосредоточенной избирательности

Электромеханический фильтр (рис.73) состоит из входного преобразователя электрических колебаний в механические, механического фильтра и выходного преобразователя механических колебаний в электрические.

Рисунок 73 –Усилитель с электромеханическим фильтром

В настоящее время получили наибольшее распространение получили магнитострикционные преобразователи. Эффект манитострикции заключается в способности некоторых металлов (никель, пермаллой) изменять свои размеры в магнитном поле.

Механический фильтр представляет собой систему механических резонаторов, которые могут иметь форму прямоугольных пластин, цилиндрических стержней или дисков, связанных между собой механическим связками. Механические колебания входного преобразователя возбуждают колебания в системе связанных механических резонаторов, каждый из которых резонирует подобно колебательному контуру с очень высокой добротностью (порядка десятков тысяч). Последний резонатор возбуждает колебания в выходном преобразователе, который преобразует механические колебания в электрические, за счет обратного эффекта магнитострикции. Такие фильтры имеют очень хорошую прямоугольность формы резонансной кривой, малые габариты и высокую температурную стабильность.

Для получения очень узких полос пропускания порядка несколько сотен или десятков герц используются пьезоэлектрические (кварцевые) фильтры (рис.74а).

Рисунок 74 – Кварцевый фильтр (а) и его резонансная кривая (б)

Фильтрующее действие кварцевого резонатора, который эквивалентен последовательному колебательному контуру, основано на резком уменьшении сопротивления его в узкой полосе в окрестности резонансной частоты.

Для нейтрализации емкости кварцедержателя фильтр выполняется по мостовой схеме. Плечи моста образованы конденсаторами и емкостью кварцедержателя. На частоте (рис.74 б), где сопротивление кварца имеет емкостный характер, мост сбалансирован и напряжение на выходе отсутствует. При изменении частоты баланс моста нарушается и на выходе схемы возникает напряжение. Оно максимально на частоте последовательного резонанса кварцевой пластины. Полосовые пьезоэлектрические фильтры могут быть многокварцевые мостового типа.

Пьезоэлектрический эффект может наблюдаться не только в кристаллах, но и поликристаллических веществах, после их поляризации. К таким веществам относятся так называемые пьезокерамические материалы.

Пьезокерамические материалы позволяют изготовлять методами керамической технологии резонаторы заданной формы и размеров, пригодные для построения миниатюрных фильтров. Вследствие малой стоимости и размеров можно строить довольно сложные по структуре фильтры, добиваясь хорошей прямоугольности формы частотной характеристики. Для примера на рис.75 показана схема пьезокерамического фильтра лестничного типа.

Рисунок 75 – Пьезокерамический фильтр лестничного типа

Пьезокерамические материалы имеют более низкую по сравнению с кварцем температурную и временную стабильность и более высокие потери. Позволяют получить относительные полосы пропускания порядка 0,1%.

Пьезомеханические фильтры – это фильтры, изготовляемые путем нанесения нескольких пар металлических пластинок на одну кварцевую пластинку. Участок кварца между двумя металлическими пластинками работает как резонатор, связь между резонаторами – механическая по кварцу. Частотные характеристики таких фильтров почти как у многокварцевых мостового типа, но габариты меньше.