Урок 6

 

 УСИЛИТЕЛИ РАДИОЧАСТОТЫ

НАЗНАЧЕНИЕ, ОСНОВНЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ И КАЧЕСТВЕННЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ

   Усилители радиочастоты (УРЧ) следуют непосредственно за вход­ной цепью приемника и выполняют многочисленные функции, основ­ными из которых являются следующие: усиление принимаемых сиг­налов на несущей частоте, необходимое для увеличения реальной чувствительности радиоприемного устройства за счет увеличения отношения мощности полезного сигнала к мощности шумов; обеспече­ние избирательности радиоприемника к сильным помехам, вызываю­щим нелинейные эффекты, избирательность по побочным кана­лам приема, таким, как зеркальный канал и канал на промежуточной частоте (избирательность УРЧ по соседнему каналу, как правило, не­велика); ослабление паразитного излучения гетеродина через входную цепь и антенну.

УРЧ классифицируются в зависимости от типа усилительного прибора: транзисторные, ламповые, на туннельном диоде, параметри­ческие. УРЧ делятся на резонансные и апериодические. В резонансных УРЧ в качестве резонансного элемента используются колебательные контуры различного вида. Такие УРЧ обладают частотной избира­тельностью. Апериодический УРЧ не содержит колебательного кон­тура и поэтому избирательностью не обладает. Как правило, УРЧ содержит один-два каскада. Большее число каскадов усложняет на­стройку и снижает устойчивость работы УРЧ.

Для оценки УРЧ используются следующие основные качественные показатели.

1. Коэффициент усиления напряжения

Для многокаскадного УРЧ общий коэффициент усиления

 (9.1)

где n — число каскадов.

При изменении настройки резонансного усилителя его коэффици­ент усиления изменяется. На резонансной частоте сопротивление парал­лельного колебательного контура становится максимальным и чисто активным. При изменении частоты в ту или иную сторону от резо­нансной коэффициент усиления уменьшается, так как уменьшается сопротивление контура. Коэффициент усиления на частоте резонанса называется резонансным и обозначается Ко.

                                   К₀ = Y₂₁ R_э p₁ p₂

2. Коэффициент усиления мощности определяется как отношение выходной мощности на нагрузке усилителя к входной мощности усиливаемого сигнала:

В многокаскадных усилителях общий коэффициент усиления мощности рассчитывают по формулам

 (9.2)

3. Избирательность показывает, насколько уменьшается коэффициент усиления на частоте мешающего сигнала (например, соседнего или зеркального) по сравнению с коэффициентом усиления на частоте основного канала приема. Формула для избирательности имеет вид

 (9.3)

где К₀ — коэффициент усиления на частоте резонанса; К — модуль коэффициента усиления на частоте, на которой измеряется избира­тельность. Избирательность в многокаскадном усилителе находится по формулам

 (9.4)

где n — число каскадов УРЧ.

4. Полоса пропускания характеризует широкополосность УРЧ. Под шириной полосы пропускания понимается полоса частот, на гра­ницах которой коэффициент усиления снижается до определенного значения относительно резонансного значения. Часто ширину полосы пропускания определяют на уровне 0,707 (3 дБ) от максимального коэффициента усиления напряжения Ко. Если усилитель характери­зуется коэффициентом усиления мощности, то полоса пропускания отсчитывается на уровне 0,5 от максимального.

                                  

 

5. Искажения сигналов в УРЧ могут быть трех видов: амплитуд­но-частотные, зависящие от формы резонансной характеристики УРЧ; фазово-частотные из-за нелинейности фазово-частотной харак­теристики УРЧ; нелинейные искажения за счет нелинейности рабочего участка амплитудной характеристики УРЧ. Нелинейные искажения в УРЧ, поскольку входные сигналы очень малы, незначительны.

   Частотные искажения определяются формулой:

                           

6. Коэффициент диапазона частот, равный отношению максималь­ной частоты диапазона к минимальной частоте: К_д = f_max/f_min. Этот показатель используется только для диапазонных УРЧ. Его значе­ние должно быть таким же, как у входной цепи.

7. Устойчивость работы характеризует способность УРЧ сохра­нять основные показатели (частоту настройки, коэффициент усиле­ния, полосу пропускания, форму резонансной характеристики и др.) при изменении условий окружающей среды, например температуры, или изменении напряжения питания.

    При возникновении ПОС происходит самовозбуждение УРЧ. Причины возникновения ПОС:

  а- через полную проводимость обратной передачи УП Y₂₁;

б- через общий источник питания;

в- через взаимодействие цепей емкостного и индуктивного характера.

  Коэффициент устойчивого усиления:

                 

  Должно выполняться условие: К₀ ≤ К_УСТ.

8.  Коэффициент шума, который является важным показателем для радиоприемников высокой чувствительности, например радиолока­ционных.

 

 УСИЛИТЕЛИ РАДИОЧАСТОТЫ ТРАНЗИСТОРНЫХ РАДИОПРИЕМНИКОВ

 

Общие сведения. В транзисторных радиоприемниках для приема сигналов AM используются как резонансные, так и апериодические усилители радиочастоты (УРЧ). Резонансные УРЧ чаще всего одно­контурные: В большинстве случаев УРЧ работает в широком диапа­зоне частот, что не позволяет полностью устранить влияние обратной проводимости транзистора и обеспечить устойчивость его работы. Для повышения устойчивости работы УРЧ его коэффициент усиления сни­жается за счет выбора коэффициентов включения.

Сравнительно низкое входное сопротивление транзисторов и малое выходное сопротивление следующего каскада шунтируют контур, ухуд­шая его добротность. Для уменьшения шунтирующего действия выход­ного и входного сопротивлений транзисторов на контур используется слабая связь с контуром за счет коэффициентов включения m₁ и m₂. Наибольшее применение получили автотрансформаторная и трансфор­маторная схемы включения.

Транзисторы чаще всего включаются по схемам ОЭ (общий эмиттер), ОИ (общий исток для полевых), обеспечивающим наибольший коэффи­циент усиления мощности при сравнительно небольшом уровне соб­ственных шумов. Схема с общей базой (ОБ) обладает большей устой­чивостью, но меньшим по сравнению со схемой ОЭ входным сопротив­лением. Поэтому коэффициент включения приходится брать мень­ше, следствием чего является потеря усиления по мощности.

Широко применяются каскодные схемы УРЧ, имеющие большой коэффициент усиления и высокую устойчивость.

Перестройка УРЧ в рабочем диапазоне частот осуществляется конденсатором переменной емкости, переменной индуктивностью или варикапами.

При настройке УРЧ в пределах одного диапазона или поддиапа­зона конденсатором переменной емкости коэффициент усиления УРЧ увеличивается с ростом частоты за счет увеличения резонансного со­противления контура. С ростом частоты настройки увеличивается также и полоса пропускания.

Изменение температуры окружающей среды влияет на параметры транзисторов, а следовательно, и на параметры УРЧ. Отсюда выте­кает необходимость стабилизации режима работы транзисторов. В транзисторных УРЧ с этой целью используются эмиттерная, коллек­торная или комбинированная схемы стабилизации. Транзисторы выби­раются высокочастотные или сверхвысокочастотные из условия

 (9.59)

где f_mах — максимальная частота рабочего диапазона; f_h21б — предель­ная частота усиления по току для схемы ОБ.

Транзисторы в УРЧ работают в режиме малого сигнала, так как на вход поступают амплитуды порядка единиц микровольта или милли­вольта. Режим транзистора по постоянному току выбирается при токе покоя коллектора в несколько миллиампер на участке характеристики с наибольшей крутизной (рис. 9.12). Большее значение коллекторного тока нецелесообразно по причине возрастания потребляемой от источ­ника питания мощности, а также увеличения уровня шумов. При меньшем значении коллекторного тока крутизна характеристики малая и усилительные свойства транзистора плохие. Максимально допусти­мое напряжение между коллектором и эмиттером Um max должно пре­вышать напряжение питания Еи:

 (9.60)

 

Резонансный одноконтурный УРЧ с автотрансформаторным вклю­чением контура.

 

 Схема такого УРЧ представлена на рис. 9.13. В этой схеме используется автотрансформаторное включение в коллектор­ную цепь транзистора и во входную цепь следующего каскада. Такую связь называют двойной автотрансформаторной. В случае использования полевого транзистора коэффициент включе­ния m₂ из-за большого входного сопротивления полевого транзистора принимается равным единице (полное включение).

Необходимое напряжение питания подается через катушку кон­тура Lк. Величину напряжения на коллекторе выбирают из условия

 (9.61)

где Еа — напряжение источника питания.

Для обеспечения выбранного режима работы транзистора служат резисторы R_э, R_д1, R_д2 и R_ф, обеспечивающие стабилизацию режима работы.

Рассмотрим принципы действия каскада. При подаче на вход УРЧ сигнала между базой и эмиттером транзистора происходит соответ­ствующее изменение тока базы, эмиттера и коллектора. Для постоян­ной составляющей коллекторного тока сопротивление катушки неве­лико и падением напряжения на ней можно пренебречь. Для перемен­ной составляющей коллекторного тока при условии, что резонансная частота контура совпадает с частотой входного сигнала, контур имеет большое резонансное сопротивление R_peз = Q_экωL_к и за счет этого на нем создается падение напряжения с частотой усиливаемого сиг­нала. Выходное напряжение через отвод в катушке L_K подается на вход следующего каскада.

Попадающие на вход усилителя сигналы других частот не будут создавать того же эффекта, так как сопротивление контура для этих частот будет значительно меньше резонансного сопротивления.

 

Апериодические УРЧ.

 

Эти УРЧ применяются в простых переносных транзисторных радиоприемниках. Нагрузкой такого УРЧ служит ре­зистор R_K (рис. 9.14). Отсутствие колебательного контура лишает апериодический каскад частотной избирательности. Как правило, в схеме радиоприемника имеется один апериодический каскад УРЧ.

Тип транзистора выбирают так же, как в резонансных УРЧ. Назна­чение элементов апериодического каскада такое же, как в резонансном УРЧ.

Принцип действия апериодического УРЧ не отличается от прин­ципа действия резисторного каскада низкой частоты.

Коэффициент усиления апериодического УРЧ практически постоя­нен в рабочем диапазоне частот, несколько уменьшаясь на верхней частоте диапазона за счет влияния входной емкости следующего кас­када, на который нагружен апериодический каскад.

 

Каскодная схема УРЧ.

 

 Такой схемой называется схема, в которой используется две различных схемы включения усилительных прибо­ров. Наиболее распространены комбинации схем включения общий эмиттер — общий коллектор (ОЭ—ОК) для транзисторных схем, общий катод — общая сетка (ОК—ОС) для ламповых схем и общий исток — общий затвор (ОИ—03) для схем на полевых транзисторах. Таким образом, в каскодной схеме имеется два усилительных при­бора.

Каскодные схемы сочетают в себе высокие усилительные свойства схемы включения с общим эмиттером (катодом, истоком) и значитель­ное входное сопротивление с высокой устойчивостью схемы с общей базой (сеткой, затвором).

Каскодные схемы применяются в УРЧ телевизионных и радиове­щательных приемников, а также в интегральных микросхемах. Схема каскодного УРЧ на транзисторах приведена на рис. 9.15. Режим работы транзистора Т₁ обеспечивается за счет разности падений напряжения на резисторах R₂ и R_эк (U_бo = U_R2 — U_Rэк — напряжение смещения). Напряжение смещения на базе транзистора Т2 обеспечивается за счет разности падений напряжения на резисторе R'₂ и напряжения на кол­лекторе транзистора T₁.

Транзистор Т₁ включен по схеме с общим эмиттером, транзистор Т₂ — по схеме с общей базой (за счет конденсатора С_б2). Нагрузкой транзистора T₁ является входное сопротивление транзистора Т₂. Колебательный контур L_KC_K включается в цепь коллектора полностью, поскольку выходное сопротивление транзистора довольно велико. Назначение элементов R_ф и С_ф такое же, как в обычном каскаде УРЧ.

Выходной сигнал снимается с контура посредством катушки связи L_CB (трансформаторная связь) или отвода от катушки (автотрансфор­маторная связь).

 

УСИЛИТЕЛИ  РАДИОЧАСТОТЫ  НА  ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМАХ

 

Применение интегральных микросхем позволяет выполнять микро­миниатюрные УРЧ. Для радиоприемников промышленность выпус­кает несколько серий интегральных микросхем  (ИМС),  применение

которых позволяет создать радиоприем­ник, почти полностью собранный на ИМС. Широко известными являются, например, такие серии  ИМС: К218, К228, К237 — для радиовещательных, К224 — для телевизионных приемников и др.

В УРЧ микросхема используется в качестве усилительного прибора. Коле­бательные контуры используются обыч­ные.

Наиболее распространенными типа­ми ИМС являются каскодные схемы (К2УС241,  К2УС247,  К2УС283) и дифреренциально-каскодные (К2УС246, 2УС282). Дифференциально-каскодные схемы (балансные) удобны тогда, когда в УРЧ предусматри­вается автоматическая регулировка усиления.

Пример выполнения диапазонного УРЧ на микросхеме 2УС283 показан на рис. 9.18.

Основные качественные показатели микросхемы следующие: тран-зисторы типа КТ307 (бескорпусные), первый транзистор включен по хеме ОЭ, второй — по схеме ОБ; коэффициент усиления напряжения нe менее 50; диапазон рабочих частот 0,15—110 МГц; напряжение питания ± 6,3 В; потребляемый ток около 5 мА; входное сопротивление (на частоте 60 МГц) не менее 200 Ом; выходное сопротивление 100 кОм. Принципиальная схема УРЧ на микросхеме К2УС283 дана на рис. 9.19.

Входной сигнал от контура входной цепи через катушку связи L_CBl подается на вывод 1 микросхемы, а напряжение смещения величиной —6,3 В — на вывод 7. Вывод 5 соединяется с корпусом при помощи блокировочного конденсатора С_бл. Напряжение коллекторного пита­ния подается на вывод 12. Катушка контура подключается между выводами 14 и 10, вывод 10 соединен с корпусом конденсатором филь­тра С_ф, для того чтобы потенциал этого вывода по переменному току

был равен нулю. Настройка и подстройка контура осуществляются соответственно конденсаторами С_к и С_п. Выходной сигнал через ка­тушку связи L_CB2 подается на следующий каскад. Подключение осталь­ных выводов показано на схеме рис. 9.19.