Для повышения чувствительности и реальной селективности гетеродинного приемника входная цепь должна обеспечивать близкий к единице коэффициент передачи мощности в рабочем диапазоне частот и как можно большее ослабление внедиапазонных сигналов. Все это - свойства идеального полосового фильтра, поэтому и выполнять входную цепь надо в виде фильтра.

Часто применяемая одноконтурная входная цепь хуже всего отвечает предъявляемым требованиям. Для увеличения селективности надо повышать нагруженную добротность контура, ослабляя его связь с антенной и смесителем или УРЧ.

Но тогда почти вся мощность принимаемого сигнала будет расходоваться в контуре и лишь малая ее часть пройдет в смеситель или УРЧ. Коэффициент передачи мощности получится низким. Если же сильно связать контур с антенной и смесителем, упадет нагруженная добротность контура и он будет мало ослаблять сигналы соседних по частоте станций.

А ведь рядом с любительскими диапазонами работают и очень мощные радиовещательные станции.

Одиночный входной контур в качестве преселектора можно использовать на низкочастотных KB диапазонах, где уровни сигналов достаточно велики, в простейших гетеродинных приемниках. Связь с антенной следует сделать регулируемой, а сам контур перестраиваемым, как показано на рис. 1.

В случае помех от мощных станций можно ослабить связь с антенной, уменьшая емкость конденсатора С1, тем самым увеличив селективность контура и одновременно увеличив потери в нем, что эквивалентно включению аттенюатора. Суммарную емкость конденсаторов С2 и СЗ выбирают около 300...700 пФ, данные катушки зависят от диапазона.

Рис.1. Одноконтурная входная цепь.

Значительно лучшие результаты дают полосовые фильтры, согласованные по входу и выходу. В последние годы наметилась тенденция применять переключаемые полосовые фильтры даже на входе широкодиапазонных профессиональных связных приемников. Используют октавные (редко), полуоктавные и четвертьоктавные фильтры.

Отношение верхней частоты их полосы пропускания к нижней равно соответственно 2; 1,41(корень из 2) и 1,19 (корень четвертой степени из 2). Разумеется, чем узкополоснее входные фильтры, тем помехозащищенность широкодиапазонного приемника выше, но число переключаемых фильтров значительно возрастает.

Для приемников, рассчитанных только на любительские диапазоны, число входных фильтров равно числу диапазонов, а их полоса пропускания выбирается равной ширине диапазона, обычно с запасом в 10...30%.

В трансиверах полосовые фильтры целесообразно устанавливать между антенной и антенным переключателем прием/передача. Если усилитель мощности трансивера достаточно широкополосен, как, например, в случае транзисторного усилителя, его выходной сигнал может содержать много гармоник и других внедиапазоиных сигналов. Полосовой фильтр будет способствовать их подавлению.

Требование близкого к единице коэффициента передачи мощности фильтра в этом случае особенно важно. Элементы фильтра должны выдерживать реактивную мощность, в несколько раз превосходящую номинальную мощность передатчика трансивера.

Характеристическое сопротивление всех диапазонных фильтров целесообразно выбрать одинаковым и равным волновому сопротивлению фидера 50 или 75 Ом.

Рис.2. Полосовые фильтры: а - Г-образный; б - П-образный

Классическая схема Г-образного полосового фильтра дана на рис.2,а. Расчет его чрезвычайно прост. Сначала определяется эквивалентная добротность Q = fo/2Df, где fo - средняя частота диапазона, 2Df - полоса пропускания фильтра. Индуктивности и емкости фильтра находятся по формулам:

где R - характеристическое сопротивление фильтра.

На входе и выходе фильтр должен нагружаться сопротивлениями, равными характеристическому, ими могут быть входное сопротивление приемника (или выходное передатчика) и сопротивление антенны.

Рассогласование до 10...20% практически мало сказывается на характеристиках фильтра, но отличие нагрузочных сопротивлений от характеристического в несколько раз резко искажает кривую селективности, в основном в полосе пропускания.

Если сопротивление нагрузки меньше характеристического, ее можно подключить автотрансформаторно, к отводу катушки L2. Сопротивление уменьшится в k2 раз, где k - коэффициент включения, равный отношению числа витков от отвода до общего провода к полному числу витков катушки L2.

Селективность одного Г-образного звена может оказаться недостаточной, тогда два звена соединяют последовательно. Соединять звенья можно либо параллельными ветвями друг к другу, либо последовательными. В первом случае получается Т-образный фильтр, во втором - П-образный.

Элементы L и С соединенных ветвей объединяются. В качестве примера на рис.2,б показан П-образный полосовой фильтр. Элементы L2C2 оетались прежними, а элементы продольных ветвей обьединились в индуктивность 2L и емкость С1/2. Легко видеть, что частота настройки получившегося последовательного контура (так же, как и остальных контуров фильтра) осталась прежней и равной средней частоте диапазона.

Часто при расчете узкополосных фильтров значение емкости продольной ветви С1/2 получается слишком маленьким, а индуктивности - слишком большим. В этом случае продольную ветвь можно подключить к отводам катушек L2, увеличив емкость в 1/k2 раз, а индуктивность во столько же раз уменьшив.

Рис.3. Двухконтурный фильтр.

Встотных фильтрах бывает удобно использовать только параллельные колебательные контура, соединенные одним выводом с общим проводом.

Схема двухконтурного фильтра с внешней емкостной связью показана на рис.3. Индуктивность и емкость параллельных контуров рассчитываются по формулам (1) для L2 и С2, а емкость конденсатора связи должна составить C3=C2/Q.

Коэффициенты включения выводов фильтра зависит от требуемого входного сопротивления Rвх и характеристического сопротивления фильтра R: k2=Rвх/R. Коэффициенты включения с двух сторон фильтра могут быть и разными, обеспечивая согласование с антенной и входом приемника или выходом передатчика.

Для увеличения селективности можно включить по схеме рис.3 три и более одинаковых контуров, уменьшив емкости конденсаторов связи СЗ в 1,4 раза.

Рис.4. Селективность трехконтурного фильтра.

Теоретическая кривая селективности трехконтурного фильтра приведена на рис.4. По горизонтали отложена относительная расстройка x=2DfQ/fo, а по вертикали - ослабление, вносимое фильтром.

В полосе прозрачности (x<1) ослабление равно нулю, а коэффициент передачи мощности - единице. Это понятно, если учесть, что теоретическая кривая построена для элементов без потерь, имеющих бесконечную конструктивную добротность.

Реальный фильтр вносит некоторое ослабление и в полосе пропускания, что связано с потерями в элементах фильтра, главным образом в катушках. Потери в фильтре уменьшаются с увеличением конструктивной добротности катушек Q0. Например, при Q0 = 20Q потери даже в трехконтурном фильтре не превышают 1 дБ.

Ослабление за пределами полосы пропускания прямо зависит от числа контуров фильтра. Для двухконтурного фильтра ослабление равно 2/3 указанного на рис.4, а для одноконтурной входной цепи - 1/3. Для П-образного фильтра рис.3,б пригодна кривая селективности рис.4 без всякой коррекции.

Рис.5. Трехконтурный фильтр - практическая схема.

Практическая схема трехконтурного фильтра c полосой пропускания 7,0...7,5 МГц и его экспериментально снятая характеристика показаны на рис.5 и 6 соответственно.

Фильтр рассчитан по описанной методике для сопротивления R=1,3 кОм, но был нагружен на входное сопротивление смесителя гетеродинного приемника 2 кОм. Селективность немного возросла, но появились пики и провалы в полосе пропускания.

Катушки фильтра намотаны виток к витку на каркасах диаметром 10 мм проводом ПЭЛ 0,8 и содержат по 10 витков. Отвод катушки L1 для согласования с сопротивлением фидера антенны 75 Ом сделан от второго витка.

Все три катушки заключены в отдельные экраны (алюминиевые цилиндрические «стаканчики» от девятиштырьковых ламповых панелек). Настройка фильтра проста и сводится к настройке контуров в резонанс подстроечниками катушек.

Рис.6. Измеренная кривая селективности трехконтурного фильтра.

Особо следует остановиться на вопросах получения максимальной конструктивной добротности катушек фильтров. Не следует стремиться к особой миниатюризации, поскольку добротность растет с увеличением геометрических размеров катушки.

По этой же причине нежелательно использовать слишком тонкий провод. Серебрение провода дает ощутимый эффект лишь на высокочастотных KB диапазонах и на УКВ при конструктивной добротности катушки более 100. Литцендрат целесообразно применять лишь для намотки катушек диапазонов 160 и 80 м.

Меньшие потери в посеребренном проводе и литцендрате связаны с тем, что высокочастотные токи не проникают в толщу металла, а протекают лишь в тонком поверхностном слое провода (так называемый скин-эффект).

Идеально проводящий экран не снижает добротности катушки и к тому же устраняет потери энергии в окружающих катушку предметах. Реальные экраны вносят некоторые потери, поэтому диаметр экрана желательно выбирать равным не менее 2-3 диаметров катушки.

Экран следует выполнять из хорошо проводящего материала (медь, несколько хуже алюминий). Недопустима окраска или лужение внутренних поверхностей экрана.

Перечисленные меры обеспечивают исключительно высокую добротность катушек, реализуемую, например, в спиральных резонаторах.

В диапазоне 144 МГц она может достигать 700...1000. На рис.7 показана конструкция двухрезонаторного полосового фильтра диапазона 144 МГц, рассчитанного на включение в 75-омную фидерную линию.

Резонаторы смонтированы в прямоугольных экранах размерами 25X25X50 мм, спаянных из листовой меди, латуни или пластинок двустороннего фольгированного стеклотекстолита.

Внутренняя перегородка имеет отверстие связи размером 6X12,5 мм. На одной из торцевых стенок закреплены воздушные подстроечные конденсаторы, роторы которых соединены с экраном.

Катушки резонатора бескаркасные. Они выполнены из посеребренного провода диаметром 1,5...2 мм и имеют по 6 витков диаметром 15 мм, равномерно растянутых на длину около 35 мм. Один вывод катушки припаивается к статору подстроечного конденсатора, другой - к экрану.

Отводы ко входу и выходу фильтра сделаны от 0,5 витка каждой кагушки. Полоса пропускания настроенного фильтра немногим более 2 МГц, вносимые потери исчисляются десятыми долями децибела Полосу пропускания фильтра можно регулировать, изменяя размеры отверстия связи и подбирая положение отводов катушек.

Рис.7. Фильтр на спиральных резонаторах.

На более высокочастотных УКВ диапазонах катушку целесообразно заменить прямым отрезком провода или трубки, тогда спиральный резонатор превращается в коаксиальный четвертьволновый резонатор, нагруженный емкостью.

Длину резонатора можно выбрать около л/8, а недостающая до четверти длины волны длина компенсируется подстроечной емкостью.

В особо тяжелых условиях приема на KB диапазонах входной контур или фильтр гетеродинного приемника делают узкополосным, перестраиваемым. Для получения высокой нагруженной добротности и узкой полосы связь с антенной и между контурами выбирается минимальной, а для компенсации возросших потерь применяется УРЧ на полевом транзисторе.

Его цепь затвора мало шунтирует контур и почти не снижает его добротности. Биполярные транзисторы в УРЧ устанавливать нецелесообразно по причине их низкого входного сопротивления и значительно большей нелинейности.

Схема УРЧ

Схема усилителя радиочастоты (УРЧ) показана на рис.8. Двухконтурный перестраиваемый полосовой фильтр на его входе обеспечивает всю требуемую селективность, поэтому в цепи стока транзистора включен неперестраиваемый контур L3C9 малой добротности, зашунтированный резистором R3.

Этим резистором подбирают коэффициент усиления каскада. Ввиду малого усиления нейтрализации проходной емкости транзистора не требуется.

Рис.8. Усилитель радиочастоты.

Контур в цепи стока можно использовать и для получения дополнительной селективности, если шунтирующий резистор исключить, а для снижения усиления сток транзистора подключить к отводу контурной катушки.

Схема такого УРЧ для диапазона 10 м показана на рис.9. Он обеспечивает чувствительность приемника лучше 0,25 мкВ В усилителе можно применить двухзатворные транзисторы КП306, КП350 и КП326, имеющие малую проходную емкость, что способствует устойчивости работы УРЧ с резонансной нагрузкой.

Рис.9. УРЧ на двухзатворном транзисторе.

Режим транзистора устанавливают подбором резисторов R1 и R3 так, чтобы ток, потребляемый от источника питания, составлял 4... 7 мА. Усиление подбирается перемещением отвода катушки L3 и при полном включении катушки достигает 20 дБ.

Контурные катушки L2 и L3 намотаны на кольцах К10X6X4 из феррита 30ВЧ и имеют по 16 витков провода ПЭЛШО 0,25. Катушки связи с антенной и смесителем содержат по 3-5 витков такого же провода. В усилитель легко ввести сигнал АРУ, подав его на второй затвор транзистора. При снижении потенциала второго затвора до нуля усиление уменьшается на 40...50 дБ.

Литература: В.Т.Поляков. Радиолюбителям о технике прямого преобразования. М. 1990г.

Апериодические УРЧ увеличивают лишь отношение сигнал/шум и чувствительность приемника. Наиболее часто их применяют в транзисторных приемниках прямого усиления на ДВ- и СВ-диапазонах; В качестве нагрузки апериодических УРЧ может

Рис.9. Схемы апериодических каскадов усилителей радиочастоты:

а) – резисторная; б) – трансформаторная.

служить дроссель, резистор или трансформатор. Резисторный каскад УРЧ (рис. 9. а ) прост в исполнении и настройке. В трансформаторных УРЧ (рис. 9.б ) облегчается согласование выхода одного каскада с входом последующего. Кроме того, трансформаторный каскад УРЧ можно легко переделать в рефлексный.

Резонансные УРЧ, обеспечивают усиление сигнала и повышают не только реальную чувствительность, но и избирательность по зеркальному каналу. Транзисторные резонансные УРЧ в диапазонах ДВ, СВ и KB собирают по схеме с ОЭ (рис. 10 ), а в УКВ-диапазоне - по схеме с ОБ.

Каскады УРЧ могут содержать один или два резонансных контура. Усилитель радиочастоты с одним контуром дает меньшее усиление, но более прост в изготовлении и настройке. Схемы с индуктивной связью контуров позволяют изменять связь и получать наибольшее усиление или лучшую избирательность. Изменением связи по диапазону можно несколько компенсировать неравномерность коэффициента передачи входных цепей.

Усилители радиочастоты УКВ-диапазона выполняют по каскадным схемам. Они имеют лучшие характеристики, чем обычные УРЧ.

По усилению каскодный усилитель эквивалентен одно каскадному усилителю с проводимостью прямой передачи первого транзистора и нагрузкой второго. Каскодная схема используется в усилителях диапазона метровых волн. Первый каскад схемы выгодно выполнять на полевом транзисторе, обладающем низким уровнем шумов и малой активной входной проводимостью, при этом будет меньше шунтироваться избирательная система приемника, включенная на входе каскодного усилителя. Во втором каскаде предпочтителен дрейфовый транзистор, включаемый по схеме с ОБ и обеспечивающий наибольший устойчивый коэффициент усиления.

Рис.10. Каскад усилителя радиочастоты.

При таком выполнении каскодной схемы усилителя повышается его коэффициент устойчивого усиления, существенно снижается уровень шумов, повышается избирательность тракта радиосигнала приемника, что является их преимуществом. Аналогичными преимуществами обладают каскодные схемы (низкий уровень шумов и высокий коэффициент устойчивого усиления) на электронных лампах, обычно триодах, включаемых по схеме общий катод - общая сетка.

Принцип супергетеродинного приема.
Детектирование и усиление сигналов низкой частоты.

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

.

Так как усилитель радиочастоты находится на входе радиоприемного устройства, то его шумовые характеристики и в основном определяют характеристики всего устройства в целом. Именно коэффициент шума усилителя радиочастоты определяет . Нелинейные свойства усилителя оцениваются характеристиками IP2 и IP3. Для обеспечения высокой линейности во всех каскадах приемника используются . Очень важным параметром является точка .

В связи с микроминиатюризацией современной элементной базой и связанной с ней миниатюризацией узлов радиоприемного устройства сейчас на СВЧ возможно применение схемотехнических решений, которые ранее применялись на значительно более низких частотах. Это связано с тем, что размеры блока относительно длины волны рабочего колебания становятся меньше одной десятой длины волны и в результате при разработке этого блока можно пренебречь волновыми эффектами при распространении колебаний.

Дополнительное повышение устойчивости схемы достигается включением фильтров нижней частоты на входе и выходе транзисторного каскада. Эти фильтры расчитываются на всю полосу частот, в которой транзистор сохраняет усилительные свойства. В результате во всем диапазоне частот не выполняется баланс фаз и самовозбуждение становится невозможным. Этот же фильтр осуществляет преобразование входного и выходного сопротивления транзистора к стандартному сопротивлению 50 Ом. Входная и выходная емкость включается в состав фильтра. усилителя радиочастоты с согласующими цепями на входе и выходе приведена на рисунке 1.

Рисунок 1. Принципиальная схема усилителя радиочастоты с входным и выходным сопротивлением 50 Ом на транзисторе с общей базой

В данной схеме R1 … R3 реализуют по постоянному току. Конденсатор C2 обеспечивает заземление базы транзистора по высокой частоте, а конденсатор C3 фильтрует цепи питания от помех. Дроссель L2 является нагрузкой коллектора транзистора VT1. Он пропускает ток питания в цепь коллектора VT1, но при этом развязывает источник питания по переменному току радиочастоты. Фильтры низкой частоты L1, C1 и C4, L3 обеспечивают трансформацию входного и выходного сопротивления транзистора в 50 Ом. Примененная схема фильтра низкой частоты позволяет включить в его состав входную или выходную емкость транзистора. Входная емкость транзистора VT1 совместно с емкостью C1 образует входной фильтр усилителя, а выходная емкость этого же транзистора совместно с емкостью C4 образует выходной фильтр низкой частоты.

Еще одной распространенной схемой усилителей радиочастоты является схема каскодного усилителя. В этой схеме последовательно соединяются два — и с общей базой. Подобное решение позволяет дополнительно уменьшить значение проходной емкости усилителя. Наиболее распространенной схемой каскодного усилителя является схема с гальванической связью между транзисторными каскадами. Пример схемы каскодного усилителя радиочастоты, собранной на биполярных транзисторах, приведен на рисунке 2.

Рисунок 2. Принципиальная схема каскодного усилителя радиочастоты

В данной схеме, точно так же как и в схеме, приведенной на рисунке 1, применена схема эмиттерной стабилизации рабочей точки транзистора VT2. Конденсатор C6 обеспечивает устранение отрицательной обратной связи на частоте принимаемого сигнала. В ряде случаев этот конденсатор не ставится для увеличения линейности усилителя и для того, чтобы уменьшить коэффициент усиления усилителя радиочастот.

Конденсатор C2 обеспечивает заземление базы транзистора VT1 по переменному току. Конденсатор C4 осуществляет фильтрацию источника питания по переменному току. Резисторы R1, R2, R3 определяют рабочие точки транзисторов VT1 и VT2. Конденсатор C3 развязывает базовую цепь транзистора VT2 по постоянному току от предыдущего каскада (входного полосового фильтра). Нагрузкой цепи коллектора по переменному току служит дроссель L2. Как и в схеме усилителя радиочастоты с общей базой на входе и выходе каскодного усилителя применены фильтры низкой частоты. Основное их назначение — обеспечить трансформацию входного и выходного сопротивления в значение 50 Ом.

Обратите внимание, что для подведения входного напряжения и напряжения питания, а также снятия выходного усиленного напряжения достаточно трех выводов схемы. Это позволяет выполнить усилитель в виде микросхемы буквально с тремя выводами. Такие корпуса обладают минимальными габаритами, а это позволяет избежать волновых эффектов даже на достаточно высоких частотах рабочего сигнала.

В настоящее время схемы усилителей радиочастоты выпускаются рядом фирм в виде готовых микросхем. Для примера можно назвать такие микросхемы как RF3827, RF2360 фирмы RFMD, ADL5521 фирмы Analog Devises, MAALSS0038, AM50-0015 фирмы M/A-COM. В данных микросхемах применяются арсенид-галлиевые полевые транзисторы. Верхняя усиливаемая частота может достигать значения 3ГГц. При этом коэффициент шума колеблется в пределах от 1,2 до 1,5 дБ. Пример принципиальной схемы усилителя радиочастоты с применением интегральной микросхемы MAALSS0038 фирмы M/A-COM приведен на рисунке 3.

Рисунок 3. Принципиальная схема усилителя радиочастоты с применением интегральной микросхемы MAALSS0038

Радиочастотные сигналы в диапазоне от сотен мегагерц до единиц гигагеры можно усиливать только при условии очень малых габаритов микросхем и тщательной проработки конструкции печатной платы. Именно поэтому все фирмы производители усилителей радиочастот приводят примеры печатных плат. Пример конструкции печатной платы усилителя радиочастоты, собранной на микросхеме MAALSS0038 фирмы M/A-COM, приведен на рисунке 4.

Рисунок 4. Конструкция печатной платы усилителя радиочастоты

Следует отметить, что часто между выходом усилителя радиочастоты и входом преобразователя частоты часто ставят фильтр, подобный входному фильтру, как это показано на рисунке 2 . Он позволяет увеличить подавление побочных каналов, образующихся в преобразователе частоты. Так как входное сопротивление фильтра и выходное сопротивление усилителя радиочастоты равны 50 Ом, то их сопряжение обычно не вызывает проблем.

Литература:

Вместе со статьей "Усилители радиочастоты" читают:

При одновременной работе приемника и передатчика возникают вопросы электромагнитной совместимости этих узлов...
http://сайт/WLL/Duplexer.php

При проектировании радиоприемных устройств базовых станций возникает требование распределять энергию сигнала с антенны на входы нескольких радиоприемников.
http://сайт/WLL/divider.php

Входной фильтр является одним из важнейших узлов радиоприемника...
Чем более сложный фильтр будет применен в качестве входного фильтра, тем выше удастся получить качество радиоприемника...
http://сайт/WLL/InFiltr/

министерство образования Российской Федерации

Московский физико-технический институт
(государственный университет)

Кафедра радиотехники

Усилитель радиочастоты на биполярном
транзисторе

Лабораторная работа
по курсу Радиотехника

Москва 2003

УДК 621.396.6

Усилитель радиочастоты на биполярном транзисторе.
Лабораторная работа по курсу Радиотехника / Сост.
. – М.: МФТИ, 2003. – 24 с.

© Московский физико-технический институт

государственный университет), 2003

1. Введение 4

2. Каскад на биполярном транзисторе с ОЭ 5

2.1. Принципиальные электрические схемы каскада 5

2.2. Параметры и характеристики каскада 6

2.3. Выбор параметров каскада в многоканальном
усилителе 11

3. Самовозбуждение УРЧ 13

4. Каскодная схема 15

4.1. Принципиальные электрические схемы 15

4.2. Параметры и характеристики схемы 16

5. Экспериментальная оценка выходного и входного
импедансов каскада УРЧ 17

6. Задание 19

6.1. Исследуемые схемы 19

6.2. Расчет каскадов 20

6.3. Измерения и исследования 21

Список литературы 23

1. Введение

Усилители радиочастоты (УРЧ) широко применяют в различных устройствах. Чаще всего их используют в качестве входных блоков радиоприемников для частотной фильтрации полезного сигнала из помех и увеличения его амплитуды. В таких случаях центральная частота спектра сигнала, как правило, существенно превышает ширину спектра и тогда УРЧ выполняет функции активного полосового фильтра. Известно значительное количество схем подобных УРЧ, содержащих разное число усилительных элементов и частотно-избирательных цепей. УРЧ может содержать единственный каскад, а может быть многокаскадным.

УРЧ обычно описывают следующими параметрами и характеристиками:

– резонансной (центральной) частотой усиливаемого участка спектра входного напряжения,

– резонансным коэффициентом усиления https://pandia.ru/text/78/219/images/image003_71.gif" width="23" height="23 src=">

– полосой пропускания https://pandia.ru/text/78/219/images/image005_58.gif" width="40" height="23">

– входным импедансом https://pandia.ru/text/78/219/images/image007_51.gif" width="81" height="21">

– выходным импедансом https://pandia.ru/text/78/219/images/image009_42.gif" width="97" height="21">

– амплитудно-частотной и фазочастотной характеристиками (АЧХ и ФЧХ).

Цель настоящей лабораторной работы – теоретически изучить, рассчитать, собрать на индивидуальной плате и экспериментально исследовать простейшие варианты УРЧ. Это – резонансный каскад на биполярном транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером (ОЭ), каско дная схема на двух транзисторах с одним колебательным контуром и двухкаскадный УРЧ, образованный последовательным соединением названных каскадов.

2. Каскад на биполярном транзисторе с ОЭ

2.1. Принципиальные электрические схемы каскада

На рис. 1а) представлена принципиальная электрическая схема каскада резонансного усилителя на биполярном транзисторе с ОЭ с частично включенным -контуром в качестве коллекторной нагрузки и с последовательным питанием коллекторной цепи. На рис. 1б) дана схема аналогичного каскада с параллельным питанием коллекторной цепи.

https://pandia.ru/text/78/219/images/image012_34.gif" width="21" height="25"> в источник питания , а переменную составляющую через конденсатор направляют мимо источника . Этим уменьшают нежелательную обратную связь между несколькими каскадами УРЧ, питаемыми от единого источника https://pandia.ru/text/78/219/images/image015_28.gif" width="20" height="24">в источник питания . В качестве импеданса используют дроссель (катушку с большой индуктивностью), резистор или последовательное соединение дросселя и резистора.

2.2. Параметры и характеристики каскада

Параметры и характеристики любого радиотехнического устройства, описывающие его свойства, обычно находят путем составления и анализа эквивалентной схемы этого устройства. Для каскада УРЧ используем эквивалентную схему по переменному току, содержащую модели источника сигнала, УЭ и нагрузки. Источник сигнала представим простейшим генератором напряжения с ЭДС и внутренним сопротивлением ..gif" width="125" height="24 src="> где р – коэффициент включения контура, – эквивалентное сопротивление контура, – обобщенная частотная расстройка, https://pandia.ru/text/78/219/images/image024_23.gif" width="17" height="13 src=">1 – собственная добротность контура, – резонансная частота, – сопротивление потерь контура, включенное последовательно с индуктивностью .

Опишем сначала свойства каскада при идеальном транзисторе, у которого -параметры не зависят от частоты и равны: и https://pandia.ru/text/78/219/images/image033_15.gif" width="27" height="28 src=">.jpg" width="397" height="85 src=">

На основании анализа этой схемы нетрудно показать, что у рассматриваемого каскада:

– резонансная частота https://pandia.ru/text/78/219/images/image037_13.gif" width="99" height="43"> (1)

где – крутизна транзистора,

– резонансный коэффициент усиления https://pandia.ru/text/78/219/images/image044_11.gif" width="91" height="23 src=">

– входной импеданс

– выходной импеданс левее точек https://pandia.ru/text/78/219/images/image048_11.gif" width="73" height="23 src=">

– АЧХ и ФЧХ задаются зависимостями модуля и аргумента выражения (1) от частоты.

Вместе с тем у реального транзистора -параметры зависят от частоты. В настоящей работе учтем только так называемое первое приближение этой зависимости, справедливое для частот, не превышающих нескольких значений верхней граничной частоты усиления транзистора по току и имеющее следующий вид:

https://pandia.ru/text/78/219/images/image053_10.gif" width="156" height="45 src=">

https://pandia.ru/text/78/219/images/image055_10.gif" width="157" height="45 src=">

Здесь – постоянная времени прямого https://pandia.ru/text/78/219/images/image058_8.gif" width="128" height="23"> – объемное сопротивление базы, – постоянная времени обратного перехода база-коллектор. Этому приближению соответствует физически наглядная П-образная эквивалентная схема транзистора (схема Джиаколетто). При ее использовании эквивалентная схема каскада приобретает вид, показанный на рис. 3.

В этой схеме в диапазоне частот применения УРЧ можно не учитывать резистор https://pandia.ru/text/78/219/images/image063_9.gif" width="32" height="23 src=">. Так, для транзистора КТ315 на частоте 1 МГц емкость порядка трех пикофарад имеет импеданс 50 кОм, а величина составляет единицы Мом..gif" width="49" height="23">

С учетом сказанного результаты анализа схемы, изображенной на рис. 3, сводятся к следующему.

Выходная проводимость части каскада, расположенной левее линии К– Э, найденная, например, в результате использования теоремы Нортона, получается равной

https://pandia.ru/text/78/219/images/image067_8.gif" width="181" height="47 src=">

Следовательно, выходной контур каскада в данном случае шунтируется резисторным выходным сопротивлением транзистора и выходной емкостью величины которых зависят от параметров транзистора, выходного сопротивления источника сигнала и частоты..gif" width="25" height="23 src=">.gif" width="43" height="21"> имеем порядка десятков кОм и порядка нескольких , а при порядка единиц кОм получаем порядка (долей–единиц) кОм, а https://pandia.ru/text/78/219/images/image063_9.gif" width="32" height="23">.

Из эквивалентной схемы каскада, показанной на рис..gif" width="32" height="23">, равен где – импеданс нагруженного выходного контура https://pandia.ru/text/78/219/images/image080_5.gif" width="136" height="23 src=">.gif" width="29" height="23 src="> Умножив и разделив выражение для на комплексное выражение получаем где ,

Отсюда следует, что входной импеданс каскада между точками Б–Э задается цепью, изображенной на рис. 4а), где https://pandia.ru/text/78/219/images/image090_6.gif" width="19" height="21 src="> – параллельное соединение сопротивлений и https://pandia.ru/text/78/219/images/image094.jpg" width="265" height="97">Рис. 4

Для транзисторов с очень малыми сопротивлениями элементы и практически являются входным резистивным сопротивлением https://pandia.ru/text/78/219/images/image099_5.gif" width="25 height=21" height="21"> всего каскада. В случае больших величин или при наличии дополнительного резистора https://pandia.ru/text/78/219/images/image100_5.gif" width="45 height=15" height="15"> параметры каскада и можно найти соответствующим пересчетом цепи, показанной на рис.4а), в цепь, изображенную на рис. 4б), по формулам

https://pandia.ru/text/78/219/images/image102_5.gif" width="184" height="43 src=">

где

(Попутно заметим, что для частот < относительная расстройка имеет знак минус и величина сопротивления https://pandia.ru/text/78/219/images/image010_42.gif" width="24 height=17" height="17">-контура любого предыдущего каскада входным импедансом последующего каскада резонансная частота и усиление шунтируемого каскада падают, а полоса пропускания расширяется. Вместе с тем, правильно спроектированный каскад должен обеспечивать заданные величины и всего усилителя и максимальное усиление каждого каскада https://pandia.ru/text/78/219/images/image108.jpg" width="396" height="166">

Для обеспечения требуемой полосы пропускания каскада добротность его нагруженного контура должна быть равна https://pandia.ru/text/78/219/images/image111_4.gif" width="61" height="23 src=">.gif" width="20" height="23 src="> должна удовлетворять условию

https://pandia.ru/text/78/219/images/image114_3.gif" width="20" height="21"> и коэффициенты подключения к контуру со стороны выхода УЭ каскада и со стороны входа 2-го каскада соответственно.

Резонансное усиление каскада от его входа до входа 2-го каскада при этом равно

. (3)

Из выражений (2) и (3) при условии находятся требуемые (оптимальные) значения коэффициентов подключения

https://pandia.ru/text/78/219/images/image119_4.gif" width="101" height="28 src="> (4)

где

Каскад с данными коэффициентами подключения иногда называют оптимально согласованным. Величина максимального резонансного усиления согласованного каскада оказывается равной

https://pandia.ru/text/78/219/images/image124_4.gif" width="133" height="43 src=">.gif" width="176" height="43 src=">.gif" width="103" height="24"> – полная емкость контура, обеспечивающая резонансную частоту каскада, равную при индуктивности катушки контура Из этих соотношений получаем следующие формулы для определения величин емкостей и https://pandia.ru/text/78/219/images/image133_3.gif" width="119" height="24">

3. Самовозбуждение УРЧ

Самовозбуждение УРЧ происходит при наличии в нем положительной обратной связи. Существует три канала такой связи. Один из них – это связь каскадов через общий источник питания Для уменьшения данной связи каскады “развязывают“ с помощью фильтрующих элементов и https://pandia.ru/text/78/219/images/image138_3.gif" width="41" height="23 src=">

Рассмотрим условия, при которых самовозбуждение УРЧ возникает именно из-за названной емкости. Впервые они были найдены российским ученым Владимиром Ивановичем Сифоровым еще в эпоху ламповой радиотехники. показал, что одиночный каскад резонансного УРЧ может возбудиться только при наличии в его входном импедансе индуктивной составляющей. Такая составляющая появляется, например, при наличии второго колебательного контура на входе каскада. Аналогичная ситуация возникает в многокаскадном УРЧ, в котором роль входного контура каждого каскада, начиная со второго, играет выходной контур предыдущего каскада.

На рис. 6 дана упрощенная эквивалентная схема каскада с двумя одинаковыми контурами, которые представлены в ней двухполюсниками с импедансами этих контуров (с учетом их шунтирования транзистором). УЭ представлен генератором тока Емкость – это проходная емкость каскада.

Разорвем провод схемы в точке и приложим к каскаду гармоническое входное напряжение https://pandia.ru/text/78/219/images/image144_3.gif" width="15" height="15 src=">, которое вызовет выходное напряжение Под влиянием суммы входного и выходного напряжений через проходную емкость потечет ток обратной связи При больших коэффициентах усиления каскада вкладом входного напряжения можно пренебречь и считать, что https://pandia.ru/text/78/219/images/image148_2.gif" width="29" height="21 src="> Если начальные фазы напряжений и окажутся равными, а амплитуда напряжения связи превысит амплитуду https://pandia.ru/text/78/219/images/image150_2.gif" width="111" height="23">когда также имеем На этой частоте импедансы обоих контуров носят индуктивный характер. Если на резонансной частоте напряжения и находятся в противофазе (сдвиг равен https://pandia.ru/text/78/219/images/image154_2.gif" width="17" height="21"> сдвиг фазы между напряжениями и равен уже сдвиг фазы между векторами и равен и сдвиг между векторами и равен В результате фазовый сдвиг между напряжениями и оказывается равным нулю, то есть обратная связь становится чисто положительной. Если при этом выполняется и второе (амплитудное) условие, то каскад УРЧ превращается в индуктивный трех-точечный https://pandia.ru/text/78/219/images/image160_2.gif" width="21" height="24">

Для устойчивости УРЧ необходимо, чтобы амплитуда напряжения была меньше амплитуды напряжения https://pandia.ru/text/78/219/images/image162_2.gif" width="85 height=25" height="25"> (7)

Таким образом, выражение (7) указывает пути борьбы с самовозбуждением из-за наличия проходной емкости УЭ. Это – соответствующие ограничения величин и

4. Каскодная схема

4.1. Принципиальные электрические схемы

Каскодная схема разработана для повышения устойчивости УРЧ к самовозбуждению, что достигается существенным уменьшением ее проходной емкости по сравнению с минимально достижимой проходной емкостью отдельного УЭ. Примеры каскодных схем с последовательным и параллельным питанием по постоянному току даны на рис. 7.

4.2. Параметры и характеристики схемы

Как видно из этих рисунков, нагрузкой 1-го транзистора, включенного по схеме с ОЭ, по переменному току является входной импеданс 2-го транзистора, включенного по схеме с общей базой (ОБ). Поскольку величина такого импеданса весьма мала по сравнению с выходным импедансом 1-го транзистора ( то 1-й транзистор каскодной схемы практически работает в режиме короткого замыкания на его выходе, а 2-й транзистор – в режиме холостого хода на его входе. Кроме того, имеем

Если теперь рассматривать оба транзистора каскодной схемы как единый УЭ, то при указанных условиях его -параметры связаны с аналогичными параметрами 1-го и 2-го транзисторов следующими соотношениями

https://pandia.ru/text/78/219/images/image171_2.gif" width="32" height="23 src=">.gif" width="55" height="23 src=">

https://pandia.ru/text/78/219/images/image175_2.gif" width="96" height="23 src=">.gif" width="21" height="23"> каскодной схемы, оценивающий степень обратной связи через проходную емкость, оказывается намного меньше, чем у одиночного транзистора, включенного по схеме с ОЭ. Это делает каскодную схему более устойчивой к самовозбуждению.

Кроме того, из-за малости величины входной импеданс каскодной схемы равен 1-го транзистора,
а выходной импеданс равен https://pandia.ru/text/78/219/images/image180_2.gif" width="37" height="21">.gif" width="19 height=21" height="21"> ненагруженного контура. Теоретический расчет этих величин громоздок и неточен, поэтому опишем методику их экспериментальной оценки.

Величины https://pandia.ru/text/78/219/images/image075_6.gif" width="33" height="21 src=">.gif" width="27" height="23 src="> определяемую суммарной емкостью контура + С П, где С П – известная емкость предварительно поставленного в контур навесного конденсатора. Вычисляем величину по формуле

https://pandia.ru/text/78/219/images/image182_2.gif" width="72" height="43 src="> (8)

где .

Изменением емкости С П настраиваем каскад на требуемую резонансную частоту и измеряем его полосу пропускания После этого подключаем емкостную ветвь контура к коллектору транзистора частично, как показано на эквивалентной схеме данного включения на рис. 8а). При этом величины емкостей и выбираем так, чтобы с учетом известной емкости резонансная частота каскада равнялась https://pandia.ru/text/78/219/images/image186_2.gif" width="15" height="16">= (0.2–0.8). В линейном режиме работы каскада измеряем его полосу пропускания резонансная частота 1-го каскада без подключения к нему 2-го каскада равнялась Вычисляем величину

г) считая, что для всех транзисторов h 21Э = 100, найти их начальные токи базы I бн = I кн / h 21Э,

д) выбрать ток, протекающий через делитель напряжения, составленный из резисторов R 1 и R 2, равным I д = (50–100) I бн, найти значения R 1 и R 2, учитывая также условие, что потенциал базы транзистора VT 3 относительно земли должен быть равен (U кэн + 0.6 В),

е) найти величины R р, R б1, R ф, R б2.

6.2.2. Расчет по переменному току:

а) взять в кассе две катушки с равными индуктивностями (40–60) мкГн, измерить их индуктивности на https://pandia.ru/text/78/219/images/image024_23.gif" width="17" height="13 src=">L ;

б) задаться предварительным значением коэффициента частичного подключения 1-го контура p = (0.25–0.33), определяемого соотношением его емкостей;

в) вычислить величины емкостей обоих контуров;

г) выбрать емкость остальных конденсаторов схемы порядка (0.01–1) мкФ, обеспечивая тем самым требуемую малость их импеданса на резонансной частоте.

6.3. Измерения и исследования

6.3.1. Исследование одиночных каскадов

На индивидуальной плате студента собрать каскад на транзисторе с ОЭ, подключив его контур к транзистору полностью, соединив точки 3 и 4 с помощью разделительного конденсатора С р. Собрать каскодную схему, оставив ее вход (точка 6) свободным. Измерить реальные значения I кн и U кэн обоих каскадов и проверить их соответствие заданным величинам. При необходимости добиться соответствия с точностью (10–25)% путем изменения величин R б1, R б2, R 1 и R 2.

Подключив к входу 1-го каскада (точки 1 и 2) генератор гармонического напряжения радиочастоты с амплитудой не более 20 мВ, а к точкам 5 и 2 вольтметр, измерить резонансную частоту этого каскада и проверить ее соответствие расчетной величине https://pandia.ru/text/78/219/images/image018_26.gif" width="20" height="21 src="> на АЧХ и ФЧХ каскада на транзисторе с ОЭ.

6.3.2. Исследование двухкаскадного УРЧ

Используя результаты измерений в п. 6.3.1, материалы
п. 2.3 и формулы (4)–(6), рассчитать параметры согласованного каскада на транзисторе с ОЭ, нагруженного каскодной схемой. При этом требуемую полосу пропускания 1-го каскада задать равной его полосе при полном включении контура и при отсутствии подключения ко 2-му каскаду.

Собрать описанный двухкаскадный усилитель. При наличии его самовозбуждения принять меры к ликвидации генерации.

У устойчивого двухкаскадного усилителя в линейном режиме его работы измерить величины резонансного усиления и полос пропускания 1-го каскада и всего усилителя в целом.

При домашней подготовке к зачету и оформлении отчета:

а) освоить вывод расчетных формул (4), (8), (9)–(11),

б) сопоставить полученные значения всех измеренных величин с теоретически ожидаемыми.

Список литературы

1. Основы радиоэлектроники. – М.: Радио и связь, 1990.
2. , Радиоприемные устройства. В 2-х ч. – М.: Сов. радио, 1961.–1963.

Лабораторная работа