Усилители высоких частот (УВЧ) применяются для увеличения чувствительности радиоприемных средств - радиоприемников, телевизоров, радиопередатчиков. Помещенные между приемной антенной и входом радио или телеприемника, подобные схемы УВЧ увеличивают сигнал, поступающий от антенны (антенные усилители).

Использование таких усилителей позволяет увеличить радиус уверенного радиоприема, в случае радиостанций (приемо-передающих устройств -приемопередатчиков) либо увеличить дальность работы, либо при сохранении той же дальности уменьшить мощность излучения радиопередатчика.

На рис.1 приведены примеры схем УВЧ, часто используемых для увеличения чувствительности радиосредств. Значения используемых элементов зависят от конкретных условий: от частот (нижней и верхней) радиодиапазона, от антенны, от параметров последующего каскада, от напряжения питания и т.д.

На рис.1 (а) приведена схема широкополосного УВЧ по схеме с общим эмиттером (ОЭ). В зависимости от используемого транзистора данная схема может успешно применяться до частот в сотни мегагерц.

Необходимо напомнить, что в справочных данных на транзисторы приводятся предельные частотные параметры. Известно, что при оценке частотных возможностей транзистора для генератора, достаточно ориентироваться на предельное значение рабочей частоты, которое должно быть, как минимум, в два-три раза ниже предельной частоты, указанной в паспорте. Однако для ВЧ-усилителя, включенного по схеме ОЭ, предельную паспортную частоту уже необходимо уменьшать, как минимум, на порядок и более.

Рис.1. Примеры схем простых усилителей высокой частоты (УВЧ) на транзисторах.

Радиоэлементы для схемы на рис.1 (а):

• R1=51к(для кремниевых транзисторов), R2=470, R3=100, R4=30-100;
• С1=10-20, С2= 10-50, С3= 10-20, С4=500-Зн;

Значения конденсаторов приведены для частот УКВ-диапазона. Конденсаторы типа КЛС, КМ, КД и т.д.

Транзисторные каскады, как известно, включенные по схеме с общим эмиттером (ОЭ), обеспечивают сравнительно высокое усиление, но их частотные свойства относительно невысоки.

Транзисторные каскады, включенные по схеме с общей базой (ОБ), обладают меньшим усилением, чем транзисторные схемы с ОЭ, но их частотные свойства лучше. Это позволяет использовать те же транзисторы, что и в схемах с ОЭ, но на более высоких частотах.

На рис.1 (б) приведена схема широкополосного усилителя высокой частоты (УВЧ) на одном транзисторе, включенном по схеме с общей базой . В коллекторной цепи (нагрузка) включен LС-контур. В зависимости от используемого транзистора данная схема может успешно применяться до частот в сотни мегагерц.

Радиоэлементы для схемы на рис.1 (б):

• R1=1к, R2=10к. R3=15к, R4=51 (для напряжения питания ЗВ-5В). R4=500-3 к (для напряжения питания 6В-15В);
• С1=10-20, С2= 10-20, С3=1н, С4=1н-3н;
• Т1 - кремниевые или германиевые ВЧ-транзисторы, например. КТ315. КТ3102, КТ368, КТ325, ГТ311 и т.д.

Значения конденсаторов и контура приведены для частот УКВ-диапазона. Конденсаторы типа КЛС, КМ, КД и т.д.

Катушка L1 содержит 6-8 витков провода ПЭВ 0.51, латунные сердечники длиной 8 мм с резьбой М3, отвод от 1/3 части витков.

На рис.1 (в) приведена еще одна схема широкополосного УВЧ на одном транзисторе , включенном по схеме с общей базой . В коллекторной цепи включен ВЧ-дроссель. В зависимости от используемого транзистора данная схема может успешно применяться до частот в сотни мегагерц.

Радиоэлементы:

• R1=1к, R2=33к, R3=20к, R4=2к (для напряжения питания 6В);
• С1=1н, С2=1н, С3=10н, С4=10н-33н;
• Т1 - кремниевые или германиевые ВЧ-транзисторы, например, КТ315, КТ3102, КТ368, КТ325, ГТ311 и т.д.

Значения конденсаторов и контура приведены для частот СВ-, КВ-диапазона. Для более высоких частот, например, для УКВ-диапазона, значения емкостей должны быть уменьшены. В этом случае могут быть использованы дроссели Д01.

Конденсаторы типа КЛС, КМ, КД и т.д.

Катушки L1 - дроссели, для СВ-диапазона это могут быть катушки на кольцах 600НН-8-К7х4х2, 300 витков провода ПЭЛ 0,1.

Большее значение коэффициента усиления может быть получено за счет применения многотранзисторных схем . Это могут быть различные схемы, например, выполненные на основе каскодного усилителя ОК-ОБ на транзисторах разной структуры с последовательным питанием. Один из вариантов такой схемы УВЧ приведен на рис.1 (г).

Данная схема УВЧ обладает значительным усилением (десятки и даже сотни раз), однако каскодные усилители не могут обеспечить значительное усиление на высоких частотах. Такие схемы, как правило, применяются на частотах ДВ- и СВ-диапазона. Однако при использовании транзисторов сверхвысокой частоты и тщательном исполнении такие схемы могут успешно применяться до частот в десятки мегагерц.

Радиоэлементы:

• R1=33к, R2=33к, R3=39к, R4=1к, R5=91, R6=2,2к;
• С1=10н, С2=100, С3=10н, С4=10н-33н. С5=10н;
• Т1 -ГТ311, КТ315, КТ3102, КТ368, КТ325 и т.д.
• Т2 -ГТ313, КТ361, КТ3107 и т.д.

Значения конденсаторов и контура приведены для частот СВ-диапазона. Для более высоких частот, например, для КВ-диапазона, значения емкостей и инду ктивность контура (число витков) должны быть соответствующим образом уменьшены.

Конденсаторы типа КЛС, КМ, КД и т.д. Катушка L1 - для СВ-диапазона содержит 150 витков провода ПЭЛШО 0.1 на каркасах 7 мм, подстроечники М600НН-3-СС2,8х12.

При настройке схемы на рис.1 (г) необходимо подобрать резисторы R1, R3 так, чтобы напряжения между эмиттерами и коллекторами транзисторов стали одинаковыми и составили 3В при напряжении питания схемы 9 В.

Использование транзисторных УВЧ позволяет усиливать радиосигналы. поступающие от антенн, в теледиапазонах - метровые и дециметровые волны . При этом наиболее часто применяются схемы антенных усилителей, построенные на основе схемы 1(а).

Пример схемы антенного усилителя для диапазона частот 150-210 МГц приведена на рис.2 (а).

Рис.2.2. Схема антенного усилителя МВ-диапазона.

Радиоэлементы:

• R1=47к, R2=470, R3= 110, R4=47к, R5=470, R6= 110. R7=47к, R8=470, R9=110, R10=75;
• С1=15, С2= 1н, С3=15, С4=22, С5=15, С6=22, С7=15, С8=22;
• Т1,Т2,ТЗ - 1Т311(Д,Л), ГТ311Д, ГТ341 или аналогичные.

Конденсаторы типа КМ, КД и т.д. Полосу частот данного антенного усилителя можно расширить в области низких частот соответствующим увеличением емкостей, входящих в состав схемы.

Радиоэлементы для варианта антенного усилителя для диапазона 50-210 МГц :

• R1=47к, R2=470, R3= 110, R4=47к, R5=470, R6= 110. R7=47к, R8=470. R9=110, R10=75;
• С 1=47, С2= 1н, С3=47, С4=68, С5=47, С6=68, С7=47, С8=68;
• Т1,Т2,ТЗ - ГТ311А, ГТ341 или аналогичные.

Конденсаторы типа КМ, КД и т.д. При повторении данного устройства необходимо соблюдать все требования. предъявляемые к монтажу ВЧ-конструкций: минимальные длины соединяющих проводников, экранирование и т.д.

Антенный усилитель, предназначенный для использования в диапазонах телевизионных сигналов (и более высоких частот) может перегружаться сигналами мощных СВ-, КВ-, УКВ-радиостанций. Поэтому широкая полоса частот может быть неоптимальной, т.к. это может мешать нормальной работе усилителя. Особенно это сказывается в нижней области рабочего диапазона усилителя.

Для схемы приведенного антенного усилителя это может быть существенно, т.к. крутизна спада усиления в нижней части диапазона сравнительно низка.

Повысить крутизну амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) данного антенного усилителя можно применением фильтра верхних частот 3-го порядка . Для этого на входе указанного усилителя можно применить дополнительную LС-цепь.

Схема подключения дополнительного LС-фильтра верхних частот к антенному усилителю приведена на рис. 2 (б).

Параметры дополнительного фильтра (ориентировочные):

• С=5-10;
• L - 3-5 витков ПЭВ-2 0,6. диаметр намотки 4 мм.

Настройку полосы частот и формы АЧХ целесообразно проводить с помощью соответствующих измерительных приборов (генератор качающейся частоты и т.д). Форму АЧХ можно регулировать изменением величин емкостей С, С1, изменением шага между витками L1 и числа витков.

Используя описанные схемотехнические решения и современные высокочастотные транзисторы (сверхвысокочастотные транзисторы - СВЧ-транзисторы) можно построить антенный усилитель ДМВ-диапазона Этот усилитель можно использовать как с У КВ-радиоприемником, например, входящим в состав УКВ-радиостанции, или совместно с телевизором.

На рис.3 приведена схема антенного усилителя ДМВ-диапазона .

Рис.3. Схема антенного усилителя ДМВ-диапазона и схема подключения.

Основные параметры усилителя ДМВ диапазона:

• Полоса частот 470-790 МГц,
• Усиление - 30 дБ,
• Коэффициент шума -3 дБ,
• Входное и выходное сопротивления - 75 Ом,
• Ток потребления - 12 мА.

Одной из особенностей данной схемы является подача напряжения питания на схему антенного усилителя по выходному кабелю, по которому осуществляется подача выходного сигнала от антенного усилителя к приемнику радиосигнала - УКВ-радиоприемника, например, приемника УКВ-радиостанции или телевизора.

Антенный усилитель представляет собой два транзисторных каскада, включенных по схеме с общим эмиттером. На входе антенного усилителя предусмотрен фильтр верхних частот 3-го порядка, ограничивающий диапазон рабочих частот снизу. Это увеличивает помехозащищенность антенного усилителя.

Радиоэлементы:

• R1 = 150к, R2=1 к, R3=75к, R4=680;
• С1=3.3, С10=10, С3=100, С4=6800, С5=100;
• Т1,Т2 - КТ3101А-2, КТ3115А-2, КТ3132А-2.
• Конденсаторы С1,С2 типа КД-1, остальные - КМ-5 или К10-17в.
• L1 - ПЭВ-2 0,8 мм, 2,5 витка, диаметр намотки 4 мм.
• L2 - ВЧ-дроссель, 25 мкГн.

На рис.3 (б) приведена схема подключения антенного усилителя к антенному гнезду ТВ-приемника (к селектору ДМВ-диапазона) и к дистанционному источнику питания 12 В. При этом, как видно из схемы, питание на схему подается через коаксиальный кабель, используемый и для передачи усиленного ДМВ-радиосигнала от антенного усилителя к приемнику - УКВ-радиоприемнику или к телевизору.

Радиоэлементы подключения, рис.3 (б):

• С5=100;
• L3 - ВЧ-дроссель, 100 мкГн.

Монтаж выполнен на двустороннем стеклотекстолите СФ-2 навесным способом, длина проводников и площадь контактных площадок - минимальные, необходимо предусмотреть тщательное экранирование устройства.

Налаживание усилителя сводится к установке токов коллекторов транзисторов и регулируются при помощи R1 и RЗ, Т1 - 3.5 мА, Т2 - 8 мА; форму АЧХ можно регулировать подбором С2 в пределах 3-10 пФ и изменением шага между витками L1.

Литература: Рудомедов Е.А., Рудометов В.Е - Электроника и шпионские страсти-3.

Усилитель радиочастоты (УРЧ)

Усилителем радиочастоты (УРЧ) называется каскад, осуществляющий усиление принимаемых сигналов на их собственных частотах, без изменения спектра.

Функции УРЧ:

Обеспечение усиления сигнала по мощности или по напряжению

Обеспечение эффективной частотной избирательности РПУ

Обеспечение защиты цепи антенны от проникновения частоты гетеродина (в случае проникновения частоты гетеродина в цепи антенны, РПУ начинает работать как маломощный передатчик и будет создавать помехи близко расположенным РПУ).

План выполнения работы по этапу

Выбор схемы усилителя радиочастоты и его обоснование

Электрический расчет параметров элементов контура

Подбор параметров сопротивлений и емкостей

Определение оптимальной величины напряжения источника питания Е с применением функции Parameter Sweep

Определение режимов элементов схемы по постоянному току с применением функции DC Operating Point

Измерение АЧХ усилителя во всем диапазоне изменения емкости переменного конденсатора С с применением функции Parameter Sweep

Анализ влияния температуры окружающей среды в диапазоне от -20 до +60 на АЧХ усилителя с применением функции Temperature Sweep

Статистический анализ влияния производственных допусков элементов усилителя на его АЧХ с применением функций Worst Сase и Monte Carlo

Анализ устойчивости усилителя с применением функции Pole-Zero

Выбор схемы усилителя радиочастоты

В качестве УРЧ я выбираю схему с автотрансформаторной связью на полевых транзисторах, потому что такая схема обладает высоким входным сопротивлением, и не будет оказывать нежелательного влияния на входную цепь и антенну. Будет хорошо согласоваться с входной цепью с емкостной связью. Схема также не содержит трансформаторов

Схема УРЧ с автотрансформаторной связью на полевых транзисторах приведена на рисунке 2.2.1.

Рисунок 2.2.1 - Схема УРЧ с трансформаторной связью на полевых транзисторах.

Электрический расчет параметров элементов контура

Для схем УРЧ с автотрансформаторной связью должны выполняться следующие соотношения:

где Сf в нФ, fmin в МГц, в Rf кОм. Rf обычно выбирают в пределах 0,2-3,0 кОм.

Я возьму Rf =2 кОм. Следовательно, теперь я могу рассчитать Cf:

В итоге, я получил: Cf = 320 пФ, Rf=2 кОм

Подбор параметров элементов сопротивления и емкостей с учетом варианта задания

В качестве значения переменной емкости С я взял 100 пФ. Это значение соответствует резонансной частоте 3,2 МГц, поэтому мне нужно будет подобрать элементы схемы так, чтобы максимум АЧХ находился на этой частоте.

Экспериментально подобранные параметры:

L1a = 3,1 мГн; L1b = 3,1 мГн; R = 50 Ом; Rn = 3 кОм; С= 100 пФ

На рисунке 2.2.2 приведена АЧХ усилителя при подобранных значениях элементов

Рисунок 2.2.2 - АЧХ усилителя (при С=100 пФ)

приемник цепь частотный

Определение оптимальной величины напряжения источника питания Е с применением функции Parameter Sweep

Результаты моделирования приведены на рисунке 2.2.3 и в таблице 2.2.1.

Рисунок 2.2.3 - Изменение параметров устройства

Таблица 2.2.1 - Значения напряжения источника питания

Проанализировав семейство графиков я увидел, что увеличивать напряжение Е больше чем 20 В не имеет смысла (при этом напряжении находится максимум АЧХ из всего семейства), т.к. это не приводит к дальнейшему увеличению максимума АЧХ. Поэтому я беру значение напряжения источника E равным 20 В.

Определение режимов элементов схемы по постоянному току с применением функции DC Operating Point.

Результат анализа схемы с помощью функции DC Operation Point отражен в таблице 2.2.2. В этой таблице отражены значения всех токов и напряжений различных узлов схемы УРЧ. Получены значения напряжений во всех узлах схемы, при закороченных индуктивностях и разорванных емкостях.

Таблица 2.2.2 - результат анализа по постоянному току

Измерение АЧХ усилителя во всем диапазоне изменения емкости переменного конденсатора С с применением функции Parameter Sweep

В моем случае значение емкости будет изменяться от 32 до 100 пФ. При этом должна меняться резонансная частота УРЧ в рабочем диапазоне 3,2 - 7,5 МГц. Семейство АЧХ УРЧ при различных значениях емкости С приведено на рисунке 2.2.4.

Рисунок 2.2.4 - АЧХ усилителя при различных значениях емкости С

Анализ влияния температуры окружающей среды в диапазоне от -20до+60 на АЧХ усилителя с применением функции Temperature Sweep

Мне нужно посмотреть, как будет влиять изменение температуры на АЧХ усилителя. Семейство АЧХ для различных значений температур приведено на рисунке 2.2.5.

Рисунок 2.2.5 - Семейство АЧХ усилителя при различных значениях температуры.

Как видно из графика, температура практически не оказывает влияния на АЧХ усилителя, поэтому все графики наложились друг на друга и их невозможно различить. Это говорит о том, что изменение температуры не будет приводить к нарушению работы схемы.

Статистический анализ влияния производственных допусков элементов усилителя на его АЧХ с применением функций Worst Сase и Monte Carlo

Мне нужно будет рассмотреть, как будут влиять производственные допуски элементов на АЧХ усилителя. Рисунок 2.2.6 иллюстрирует, как будет изменяться АЧХ при допуске на элементы в 4%. Это я делаю с помощью функции Monte Carlo. Описание прохода отражено в таблице 2.2.3.

Рисунок 2.2.6 - Анализ влияния допусков элементов на АЧХ усилителя с помощью функции Monte Carlo

Таблица 2.2.3 - описание анализа Монте-Карло

Проанализировав эти данные, можно сделать вывод, что допуск элементов в 4% недопустим и оказывает значительное влияние на АЧХ усилителя.

Анализ схемы при помощи функции Worst Case отображен на рисунке 2.2.7, описание прохода проведено в таблице 2.2.4.

Рисунок 2.2.7 - Анализ влияния допусков элементов на АЧХ усилителя с помощью функции Worst Case.

Таблица 2.2.4 - Описание проходов анализа Worst Case

Проанализировав графики можно сделать вывод, что допуск элементов 1% практически не влияет на АЧХ усилителя и его резонансную частоту. Поэтому допуск в 1% допустим для данной схемы.

Анализ устойчивости усилителя с применением функции Pole-Zero

Нули и полюса передаточной функции представлены в таблице 2.2.5. Из этой таблицы видно, что нули и полюса имеют отрицательную вещественную часть, следовательно, система является устойчивой.

Таблица 2.2.5 - результат анализа нулей и полюсов

Выводы по разделу:

Перестройка частоты осуществляется конденсатором переменной емкости таким же, что используется во входной цепи. Полученный УРЧ отвечает всем необходимым требованиям, его характеристики не зависят от температуры в заданном диапазоне, почти не зависят от напряжения питания, следовательно, требования к источнику питания не строгие. Кроме того УРЧ был проверен на устойчивость, было оценено влияние допусков элементов на АЧХ усилителя.

Потребляемый ток - 46 мА. Напряжение в цепи смещения V bjas определяет уровень выходной мощности (коэффициент передачи) усилителя

Рис.33.11. Внутреннее строение и цоколевка микросхем TSH690, TSH691

Рис. 33.12. Типовая включения микросхем TSH690, TSH691 в качестве усилителя в полосе частот 300- 7000 МГц

и может регулироваться в пределах 0-5,5 (6,0) В. Коэффициент передачи микросхемы TSH690 (TSH691) при напряжении смещения V bias =2,7 В и сопротивлении нагрузки 50 Ом в полосе частот до 450 МГц составляет 23(43) дБ, до 900(950) МГц - 17(23) дБ.

Практическая включения микросхем TSH690, TSH691 приведена на рис. 33.12. Рекомендуемые номиналы элементов: С1=С5=100- 1000 пФ; С2=С4=1000 пФ; С3=0,01 мкФ; L1 150 нГн; L2 56 нГн для частот не свыше 450 МГц и 10 нГн для частот до 900 МГц. Резистором R1 можно регулировать уровень выходной мощности (можно использовать для системы автоматической регулировки выходной мощности).

Широкополосный INA50311 (рис. 33.13), производимый фирмой Hewlett Packard, предназначен для использования в аппаратуре подвижной связи, а также в бытовой радиоэлектронной аппаратуре, например, в качестве антенного усилителя или усилителя радиочастоты. Рабочий диапазон усилителя 50-2500 МГц. Напряжение питания - 5 В при потребляемом токе до 17 мА. Усредненный коэффициент усиления

Рис. 33.13. внутреннего строения микросхемы ΙΝΑ50311

10 дБ. Максимальная мощность сигнала, подводимого к входу на частоте 900 МГц, не более 10 мВт. Коэффициент шума 3,4 дБ.

Типовая включения микросхемы ΙΝΑ50311 при питании от стабилизатора напряжения 78LO05 приведена на рис. 33.14.

Рис. 33.14. широкополосного усилителя на микросхеме INA50311

Шустов М. А., Схемотехника. 500 устройств на аналоговых микросхемах. - СПб.: Наука и Техника, 2013. -352 с.

Усиление принимаемых радиосигналов в приемном устройстве осу­ществляется в его преселекторе, т.е. на радиочастоте, и после преоб­разователя частоты - на промежуточной частоте. Соответственно раз­личают усилители радиочастоты (УРЧ) и усилители промежуточной час­тоты (УПЧ). В этих усилителях, вместе с усилением должна обеспечивать­ся частотная избирательность приемника. Для этого усилители содер­жат резонансные цепи: одиночные колебательные контуры, фильтры на связанных контурах, различные типы фильтров сосредоточенной избирательности. Усилители радиочастоты с переменной настройкой обыч­но выполняют с избирательной системой, аналогичной примененной во входной цепи приемника, чаще всего это одноконтурные избирательные цепи.

В усилителях промежуточной частоты находят применение сложные типы избирательных систем, обладающие АЧХ близкими к прямоугольным, такие, как электромеханические фильтры (ЭМФ), кварцевые фильтры (КФ), фильтры на поверхностных (объемных) акустических волнах (ПАВ, ПОВ) и др.

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

К числу основных электрических характеристик усилителей отно­сятся:

1.Резонансный коэффициент усиления напряжения .

На сверхвысоких частотах (СВЧ) чаще применяют понятие коэффициента усиления по мощнос­ти
, где
- активная составляющая входной проводимости усилителя;
- активная составляющая проводимость нагрузки.

2.Частотная избирательность усилителя показывает относитель­ное уменьшение усиления при заданной расстройке
.

Иногда избирательность характеризуют коэффициентом прямоугольности, например,
.

3.Коэффициент шума определяет шумовые свойства усилителя.

4.Искажения сигнала в усилителе : амплитудно-частотные, фазо­вые, нелинейные.

5.Устойчивость работы усилителя определяется его способностью сохранять в процессе эксплуатации основные характеристики (обычно К о и АЧХ), а также отсутствие склонности к самовозбуждению.

На рис.1-3 приведены основные схемы УРЧ, а на рис.4 схе­ма УПЧ с фильтром сосредоточения избирательности (ФСИ) в виде электромеханического фильтра.

Рис.1. УРЧ на полевом транзисторе

Рис.2. УРЧ на биполярном транзисторе

Рис.3. УРЧ с индуктивной связью с избирательной системой

Рис.4. УПЧ с фильтром сосредоточенной избирательности

В усилителях радиочастоты и промежуточной частоты, в основном применяют два варианта включения усилительного прибора: с общим эмиттером (общим истоком) и каскодную схему включения транзисторов.

На рис.1 приведена схема усилителя на полевом транзисторе с общим истоком. В цепь стока включен колебательный контур L К С К . Контур настраивается конденсатором С К (может применяться для нас­тройки контура варикап или варикапная матрица).

В усилителе применено последовательное питание стока через фильтр R 3 C 3 . Напряжение смещения на затворе VT 1 определяется падением напряжения от тока истока на резисторе R 2 . Резистор R 1 является сопротивлением утечки транзистора VT 1 и служит для передачи напряжения смещения на затвор транзистора.

На рис. 2 приведена аналогичная схема УРЧ на биполярном тран­зисторе. Здесь применено двойное неполное включение контура с транзисторами VT1, VT2, что позволяет обеспечить необходимое шунти­рование контура со стороны выхода транзистора VT1 и со стороны вхо­да транзистора VT2. Напряжение питания на коллектор транзистора подано через фильтр R4C4 и часть витков катушки контура L К . Режим по постоянному току и температурная стабилизация обеспечивается с помощью резисторов R1,R2 и R3. Емкость С2 устраняет отрицательную обратную связь по переменному току.

На рис. 3 показана схема с трансформаторной связью контура с коллектором транзистора и автотрансформаторной связью со входом следующего каскада. Обычно, в этом случае, применяют, "удлиненную" настройку контура (см. лаб. работу №1).

На рис. 4 представлена схема каскада УПЧ с ФСИ, выполненного на микросхеме 265 УВЗ. Микросхема представляет собой каскодный усилитель ОЭ - ОБ.

Усилители промежуточной частоты обеспечивают основное усиление и селективность приемника по соседнему каналу. Их важной особенностью является то, что они работают на фиксированной промежуточ­ной частоте и имеют большое усиление, порядка
.

При использовании различных типов ФСИ, требуемое усиление УПЧ достигается применением широкополосных каскадов.

Общим для всех схем является двойное неполное включение из­бирательной системы. (Полное включение можно рассматривать как частный случай, когда коэффициенты трансформации m и n равны единице). Поэтому для анализа можно использовать одну обобщенную эквивален­тную схему замещения усилителя (см. рис.5).

Рис.5. Обобщенная эквивалентная схема резонансного усилителя

На схеме транзистор со стороны выхода заменен эквивалентным генератором тока с параметрами
,
и током
, а со стороны входа следующего каскада прово­димостью
,
. Резистор утечкиR4 (рис.1) или делитель
(рис.2) заменены проводимостью
(
или
).

Обычно сумму проводимостей
считают проводимостью нагрузкиG Н , т.е.

Анализ эквивалентной схемы позволяет получить все расчетные соотношения для определения характеристик каскада .

Так, комплексный коэффициент усиления каскада определяется выражением

, где -

эквивалентная резонансная проводимость контура;

Обобщенная расстройка контура.

Из данного соотношения легко определить модуль коэффициента

усиления

и резонансный коэффициент усиления каскада УРЧ

Резонансный коэффициент усиления достигает своего максималь­ного значения при одинаковом шунтировании контура со стороны выхо­да активного прибора и со стороны нагрузки (входа следующего каскада), т.е. когда

Приведенные соотношения позволяют получить уравнение резонан­сной кривой усилителя. Так, при малых расстройках,
. Откуда, полоса пропускания УРЧ по уровню 0,707 (- 3дБ) равна

Резонансный коэффициент усиления одноконтурного каскада УПЧ такой же, как и у одноконтурного УРЧ

Для УПЧ с двухконтурным полосовым фильтром резонансный коэф­фициент усиления каскада определяется выражением

где
- фактор связи между контурами, а - коэффициент связи между контурами.

Коэффициент усиления (по напряжению) УПЧ с любым ФСИ при сог­ласовании фильтра на входе и выходе может быть рассчитан по формуле

Здесь
,
- характеристические (волновые) сопротивления ФСИ по входу и выходу соответственно;

- коэффициент передачи фильтра в полосе прозрачности (пропускания).

В том случае, если известно затухание фильтра в полосе проз­рачности в децибелах, то

Коэффициенты включения m и n вычисляются из условия согласо­вания фильтра на входе и выходе

,
.

Резонансная характеристика каскада УПЧ с ФСИ полностью опреде­ляется кривой изменения коэффициента передачи ФСИ от частоты. Отдельные точки резонансной кривой ФСИ задаются в справочниках.

Коэффициент усиления избирательного усилителя не должен превышать величины коэффициента устойчивого усиления
. В общем случае,
можно оценить из выражения

Если в качестве усилительного элемента используется каскодная схема, то необходимо подставить соответствующие значения проводимостей для каскодной схемы например, для схемы ОЭ – ОБ

В случае использования полевых транзисторов активной составляющей проводимости можно пренебречь и

.

УРЧ представляют собой активные частотно-избирательные каскады приемников, работающих на фиксированной частоте или в диапазоне частот. Они применяются для обеспечения высокой чувствительности радиоприемных устройств за счет предварительного усиления сигнала и его частотной селекции.

Основные требования и качественные показатели

1. Резонансный коэффициент усиления по напряжению

Или по мощности,

где G вх, G н - активные составляющие проводимостей входа и нагрузки усилителя.

2. Частотная избирательность - главным образом по зеркальному каналу супергетеродинных приемников (
).

3. Коэффициент шума УРЧ , который в значительной мере определяет способность приемника воспроизводить полезную информацию при малых уровнях принимаемого сигнала. С точки зрения минимального уровня шумов достаточно, чтобы коэффициент усиления по мощности УРЧ был на уровне 10-100, поэтому требуемое число каскадов обычно не превышает двух.

4. Устойчивость , характеризует отсутствие самовозбуждение усилите­ля.

Кроме того УРЧ по своим показателям должны обеспечивать усиление сигналов в определенном динамическом диапазоне с искажениями, не превышающими заданного уровня.

Учитывая, что УРЧ работает в режиме усиления слабых сигналов, бу­дем считать усилительный прибор линейным активным 4-х полюсником.

Резонансный усилительный каскад умеренно высоких частот

В диапазоне умеренно высоких частот (f < 300 МГц) для описания свойств усилительных каскадов удобно использовать систему Y -параметров, в которой уравнение линейного 4-полюсника записывается в виде (5.1)

(5.1)

где , и,- напряжения и токи на входе и выходе 4-полюсника соответственно,

- параметры в режиме короткого замыкания по входу и выходу 4-полюсника.

Наиболее общая схема резонансного каскада может быть представлена в виде (Рис. 5.1).

На рисунке представлена схема резонансного усилителя, в которой к контуру L C частично подключены как выход транзистора VT 1 , так вход следующего каскада на транзисторе VT 2 . В обоих случаях применяется автотрансформаторная связь. Однако в таком усилителе указанные связи могут быть реализованы и другим известным способом, например, трансформаторным.

Элементы R 1 , R 2 , ,применяются для задания режима работыактивного элемента VT 1 по постоянному току. Необходимая фильтрация по питанию осуществляется фильтром R ф , C ф . Расчет этих элементов производится аналогично, как это делается для апериодических усилителей. Поэтому вопросы задания рабочей точки резонансных усилителей здесь не рассматриваются.

Независимо от типа связи усилительного прибора с резонансным контуром резонансный усилитель можно представить в виде следующей эквивалентной схемы (Рис. 5.2).

Из представленной эквивалентной схемы следует, что

(5.2)

При использовании двойной автотрансформаторной связи проводимость нагрузки может быть представлена как

, (5.3)

где,
.

Коэффициент усиления по напряжению можно получить, если использовать выражения (5.1) и (5.2). С учетом этих выражений можно получить

(5.4)

Из последнего выражения можно получить

(5.5)

Откуда получаем

, (5.6)

где - полная эквивалентнаяпроводимость контура.

Резонансные свойства каскада определяются частотной характеристикой проводимости
, а последняя соответствует резонансной характеристике колебательного контура LC . Эквивалентное сопротивление колеба­тельного контура, включенного в коллекторную цепь транзистора можно представить следующим образом

Полное эквивалентное сопротивление контура
можно представить

, (5.8)

где
-обобщенная расстройка контура.

Коэффициент усиления каскада на резонансной частоте можно представить как

, (5.9)

где
.

- коэффициент трансформации от выхода первого активного элемента до входа следующего.

С учетом этого для резонансного каскада получим следующее выраже­ние для коэффициента усиления

(5.10)

По структуре полученная формула соответствует формуле для опреде­ления коэффициента усиления апериодического каскада, только в качестве нагрузки в последнем используется резонансный контур.