Количественные характеристики этих требований различны для УРЧ различных диапазонов. Под неустойчивой работой при этом понимаются изменения основных параметров и характеристик усилителя вплоть до перехода в режим самовозбуждения во времени под действием различных дестабилизирующих факторов. рис. Часть этого напряжения по цепям питания проникает в предыдущие каскады в частности во входные их цепи через элементы...

Если эта работа Вам не подошла внизу страницы есть список похожих работ. Так же Вы можете воспользоваться кнопкой поиск

ЛЕКЦИЯ 5

1. Усилители радиочастоты и малошумящие усилители

2.4.1 Общие сведения об усилителях радиочастоты

Усилителем радиочастоты (избирательным) называют усилители, у которых в качестве нагрузки используются частотно избирательные цепи, в результате чего коэффициент усиления становится также частотнозависимым. В простейшем случае в качестве такой цепи применяется колебательный контур. ИУ предназначены для обеспечения высокой чувствительности РПУ за счёт предварительного усиления радиосигнала и его селекции на фоне помех. Применение резонансных систем необходимо для обеспечения требуемой избирательности приёмника по зеркальному и прямому каналам приема.

Основными качественными показателями избирательных усилителей являются:

• Резонансный коэффициент усиления по напряжению;
• Избирательность по побочным каналам приема;
• Коэффициент шума ;
• Динамический диапазон.

Здесь – максимальное входное напряжение, при котором нелинейные искажения еще не превышают допустимого значения; – входное напряжение, при котором на выходе усилителя обеспечивается требуемое отношение с/ш.

В силу решаемых ими задач к УРЧ предъявляются следующие требования:

Обеспечение частотной избирательности по дополнительным каналам приема (прямому, зеркальному, комбинационным);

Обеспечение требуемого коэффициента шума;

Обеспечение требуемого устойчивого коэффициента усиления, необходимого для доведения уровня принимаемых сигналов до величины, необходимой для нормальной работы последующих каскадов.

Количественные характеристики этих требований различны для УРЧ различных диапазонов. Как известно, в диапазонах ДВ, СВ и КВ, чувствительность определяется уровнем внешних шумов, поступающих на вход приемника. В этих условиях высокий коэффициент усиления не требуется, поэтому обычно используют не более двух каскадов с общим К 0 = 2…5. Основное внимание уделяется обеспечению избирательности по прямому и зеркальному каналам приема, а также обеспечению высокой линейности каскадов для исключения возникновения комбинационных каналов приема и интермодуляционных искажений.

В качестве нагрузки используются одно и двухконтурные системы, так как более сложные затрудняют перестройку по диапазону. Предпочтение отдается применению полевых МДП-транзисторов, обеспечивающих лучшую линейность каскадов.

В диапазонах ДМВ и выше чувствительность определяется уже собственными шумами. Здесь очень важно обеспечить требуемое значение коэффициента шума. Чувствительность приемников в этих диапазонах может достигать единиц микровольт, поэтому требуется большое усиление во входных каскадах. Обычно используется 1…3 каскада с общим К 0 = 100…200, часто неперестраиваемые, так как значения промежуточной частоты в этом случае выбирается достаточно высоким и легко обеспечивается подавление побочных каналов приема во всем принимаемом диапазоне. Для снижения коэффициента шума могут применяться усилители на туннельных диодах и параметрические усилители.

2.4.2 Схемы включения активных элементов

2.4.3 Устойчивость и самовозбуждение УРЧ

А) Факторы, влияющие на устойчивость

Как известно, при ПОС коэффициент усиления усилителя описывается выражением

, (3.1)

где - коэффициент передачи цепи обратной связи. Произведение называют петлевым усилением каскада. Согласно критерию Найквиста каскад находится на пороге генерации (самовозбуждения) при условии =1, или, что то же самое,

(3.2)

Это условие распадается на два

1) , (3.3)

т.е. суммарный набег фазы по пути от входа усилителя до выхода и обратно должен быть кратен 2 (так называемый баланс фаз);

2) =1, (3.4)

т.е. часть сигнала, попадающая обратно на вход усилителя, должна быть равна исходному сигналу (баланс амплитуд).

Рис.3.2 обеспечивающие режим по постоянному току (U ос на рисунке). При определенных условиях такая обратная связь может оказаться положительной.

Для устранения обратной связи такого типа источник питания шунтируют по переменному току конденсатором большой емкости и применяют фильтры в цепях питания отдельных каскадов (рис.3.3).

Сопротивления фильтров R ф выбирают равными 1…3 кОм. Конденсаторы фильтров – из условия. Конденсаторы необходимо использовать керамические, так как у пленочных и электролитических велика собственная индуктивность из-за того, что конструктивно они выполнены в виде рулонов, содержащих большое количество вит-

Рис.3.3 ков. Конденсаторы устанавливают в непосредственной близости от нагрузочных колебательных контуров, чтобы сократить путь протекания токов высокой частоты.

2. Емкостная связь между выходом и входом одного каскада или между каскадами. Очевидно, что любые два проводника, находящиеся на некотором расстоянии друг от друга, можно рассматривать как конденсатор. Так, например, выводы транзистора длиной около сантиметра могут иметь емкость в пределах 1…10 пф, в зависимости от их взаимного расположения. На высоких частотах это весьма заметная величина.

3. Индуктивная связь между входом и выходом одного каскада или между каскадами.

Для ее уменьшения применяются магнитные экраны (броневые сердечники из ферритов, карбонильного железа и т.п.), минимизируют длину выводов и соединительных проводников. Входные и выходные катушки располагают на как можно большем расстоянии друг от друга, ориентируя их продольные оси во взаимно перпендикулярных плоскостях для уменьшения взаимных индуктивностей.

Правильным выбором средств все вышеперечисленные причины возникновения ПОС можно частично или полностью устранить. Однако всегда остается еще один канал проникновения части выходного сигнала на вход – внутренняя проводимость обратной связи активного элемента Y 12 . У любого реального усилительного прибора она отлична от нуля и устранена быть не может. Её действие можно лишь компенсировать до определенных пределов.

Б) Условия отсутствия самовозбуждения в избирательном усилителе

Рассмотрим для простоты ситуацию, когда источником сигнала для избирательного усилителя и его нагрузкой являются точно такие же каскады (рис.3.4). В этом случае одноименные параметры каскадов одинаковы:

И. (3.5)

Пересчитав выходную проводимость предыдущего каскада сначала в контур, а затем непосредственно ко входу транзистора, получим результирующую проводимость, подключенную ко входу (рис.3.5): . (3.6)

Рис.3.4

Аналогично входная проводимость следующего каскада, приведенная к выходу транзистора, запишется в виде:

. (3.7)

Следует обратить внимание, что U вх на рис.3.4 и U 1 на рис.3.5 - это разные величины, так же как и U вых и U 2 .

Для дальнейшего анализа необходимо получить выражения, описывающие коэффициент передачи усилителя при отсутствии обратной связи () и коэффициент передачи цепи обратной связи (). Для этой цели заменим транзистор в предыдущей

Рис.3.5 схеме на его эквивалент, считая, что проводимость обратной связи в нем отсутствует. Преобразованная схема изображена на рис.3.6.

Коэффициент передачи такой схемы по напряжению определится выражением: . (3.9)

Заметим, что он не равен коэф-

Рис.3.6 фициенту усиления исходного (рис.3.4) усилителя, который определяется выражением:

. (3.10)

Из схемы (рис.3.6) очевидно, что выходное напряжение можно получить, разделив выходной ток на результирующую выходную проводимость:

. (3.11)

Знак "минус" в выражении учитывает противоположность направления протекания тока через проводимости и напряжения на них.

Подставив правую часть этого выражения в числитель формулы (3.9) и сократив дробь на, получим:

. (3.12)

Аналогичные рассуждения позволяют вывести выражение для. Причиной появления на входе усилителя напряжения обратной связи () является выходное напряжение транзистора и проводимость обратной связи. Исключая из рассмотрения прохождение сигнала через усилитель в прямом направлении, т.е. полагая =0, его эквивалентную схему для передачи сигнала обратной связи можно представить в виде, показанном на рис.3.7.

Под воздействием выходного напряжения через входные проводимости будет протекать ток (см. рис.3.7), создавая на них падение напряжения:

. (3.13)

Рис.3.7

Коэффициент передачи цепи обратной связи определим по формуле, подставив в ее числитель правую часть выражения (3.13):

. (3.14)

Формулу для петлевого усиления получим перемножив правые части выражений (3.14) и (3.12):

. (3.15)

Вместо проводимостей иподставим в знаменатель последнего выражения правые части формул (3.6) и (3.7) соответственно:

. (3.16)

Выражение, стоящее в знаменателе в скобках, представляет собой эквивалентную проводимость контура нагрузки избирательного усилителя с пересчитанными в него проводимостями предыдущего и последующего каскадов (см. формулу()) и может быть представлена в виде. С учетом этого, окончательно формулу (3.16) можно переписать в виде:

. (3.17)

В) Баланс фаз и амплитуд

При проектировании избирательных усилителей надлежащим выбором транзистора обычно легко выполнить условие, чтобы граничная частота усиления транзистора минимум в три раза превышала максимальную рабочую частоту усилителя. В этом случае комплексную проводимость прямой передачи можно считать чисто активной, т.е. . Проводимость же обратной связи наоборот – чисто мнимой и образованной внутренней (проходной) емкостью (С 12 ), связывающей выходную и входную области p - n переходов транзистора (для схемы ОЭ это емкость перехода коллектор-база, например. Активная проводимость обратно-смещенного коллекторного перехода при этом пренебрежимо мала). Другими словами, можно записать:. Учтем эти замены в (3.17) и домножим числитель и знаменатель на.

. (3.18)

Компоненты формулы, взятые в фигурные скобки представляют собой квадрат резонансного коэффициента передачи усилителя (см. формулу ()). Произведя соответствующую замену, получим:

. (3.19)

Домножим числитель и знаменатель на величину, комплексно сопряженную со стоящей в знаменателе, и выделим в получившемся выражении действительную и мнимую части в явном виде:

(3.20)

Полученное выражение позволяет проанализировать условия возникновения самовозбуждения в усилителе. Баланс фаз, в соответствии с (3.3), означает равенство нулю коэффициента при мнимой части формулы (3.20):

. (3.21)

Известно, что дробь равна нулю, когда числитель равен нулю, т.е. =0. Первые три сомножителя здесь не могут быть равны нулю, следовательно =0, или =1. Последнее возможно в двух случаях:

; (3.22)

. (3.23)

Обобщенная расстройка равна единице, как известно, на границах полосы пропускания усилителя. Только в этих точках выполняется баланс фаз и возможно самовозбуждение усилителя!

Полученное условие является необходимым, но не достаточным. Условие баланса амплитуд, в соответствии с формулами (3.4) и (3.20), означает:

1. (3.24)

Поскольку в правой части равенства стоит положительная величина, то и левая часть должна быть положительной. Это возможно только при = -1, так как остальные компоненты формулы не могут быть отрицательными. Это ограничение означает, что самовозбуждение возможно только на левой границе полосы пропускания усилителя.

Рассмотренные условия самовозбуждения позволяют сделать вывод, что для обеспечения устойчивой работы усилителя необходимо, чтобы левая часть уравнения (3.24) была меньше единицы. Причем, чем сильнее это неравенство, тем устойчивее усилитель. Для количественной оценки устойчивости вводят понятие коэффициента устойчивости γ, определяя его как

. (3.25)

Очевидно, что при γ =1 в каскаде отсутствует обратная связь (левая часть уравнения (3.4) равна нулю) и усилитель абсолютно устойчив, а при γ =0 выполняются условия самовозбуждения и усилитель превращается в генератор.

На практике обычно задают требуемое значение γ. С его учетом условие устойчивости каскада получим из формулы (3.4):

. (3.26)

Подставив в это выражение значение левой части из (3.24) и положив ξ = -1, получим:

. (3.27)

Поскольку в правой части обеспечены условия устойчивости, то и значение К 0 , стоящее в левой части – есть значение, при котором усилитель устойчив. Обозначим это значение через и выразим его из (3.27) в явном виде:

Или (3.28)

На практике выбирают γ = 0,8…0,9. Для γ = 0,9 формула приобретает вид:

. (3.29)

Для схемы с ОЭ, например, и формула приобретает вид, пригодный для практических расчетов

. (3.30)

Из формулы видно, что для повышения коэффициента устойчивого усиления необходимо выбирать транзистор с большим значением коэффициента передачи по току h 21 , малым входным сопротивлением по переменному току h 11 и как можно меньшим значением проходной емкости С 12 .

Необходимо подчеркнуть, что в любом случае, при наличии ПОС, даже если самовозбуждение отсутствует, АЧХ усилителя искажается. Чем сильнее обратная связь (чем больше), тем сильнее искажается форма резонансной характеристики (рис.3.8).

Рис.3.8

В заключение следует отметить, что для увеличения "прозрачности" рассуждений было использовано много упрощений. В реальных усилителях картина много сложнее, однако, основные причины и закономерности возникновения самовозбуждения те же самые.

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.

10.1 Назначение и основные характеристики усилителя радиочастоты

Усиление на частоте принимаемого сигнала производится с помощью усилителей радиочастоты (УРЧ). Кроме усиления должна обеспечиваться и частотная избирательность. Для этого усилители содержат резонансные элементы межкаскадной связи: одиночные колебательные контуры или системы связанных контуров.

Диапазонные УРЧ должны иметь контуры с переменной настройкой. Они чаще всего выполняются одноконтурными.

В диапазонах умеренно высоких частот активным элементом усилителя служит электронная лампа или транзистор.

На СВЧ применяются усилители с лампами бегущей волны, на туннельных диодах, параметрические и квантовые усилители.

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

Основные электрические характеристики усилителей:

1. Резонансный коэффициент усиления напряжения

В полосовых усилителях резонансный коэффициент усиления определяется на средней частоте полосы пропускания.

Коэффициентом усиления по мощности называют величину отношения мощности в нагрузке к мощности, потребляемой на входе усилителя:

где - активная составляющая входной проводимости усилителя; - активная составляющая проводимости нагрузки.

Нагрузкой УРЧ чаще всего служит вход следующего каскада усилителя или преобразователя частоты.

2. Избирательность усилителя показывает относительное уменьшение усиления при заданной расстройке. Иногда избирательность характеризуют коэффициентом прямоугольности.

3. Коэффициент шума, определяющий шумовые свойства усилителя.

4. Искажения сигнала в усилителе. В УРЧ искажения могут быть: нелинейные, вызываемые нелинейностью характеристики активного элемента, и линейные – амплитудно-частотные и фазо-частотные.

5. Устойчивость работы усилителя определяется его способностью сохранять в процессе эксплуатации основные характеристики, а также отсутствием склонности к самовозбуждению.

10.2 Схемы усилителя радиочастоты

В усилителях радиочастоты находят применение в основном две схемы включения активного элемента: с общим катодом (ОК) и общей сеткой (ОС) в ламповых усилителях; с общим эмиттером (ОЭ) и общей базой (ОБ) в транзисторных (биполярных) усилителях; с общим истоком (ОИ) и общим затвором (ОЗ) в каскадах на полевых транзисторах.

Усилители с общим катодом (эмиттером, истоком) в диапазонах километровых, гектометровых, декаметровых и метровых волн позволяют получить наиболее высокое усиление по мощности по сравнению с другими схемами включения.

Усилители с общей сеткой (базой, затвором) отличаются большей устойчивостью против самовозбуждения. Поэтому в дециметровом диапазоне волн ламповые усилители используются только в схеме с общей сеткой.

Транзисторные усилители с общей базой (затвором) используются и на более длинноволновых диапазонах.

Принципы построения и анализа резонансных усилителей идентичны для различных схем включения усилительных приборов, потому в основном будем рассматривать усилители с общим катодом (эмиттером, истоком).

По способу связи контура с активными элементами различают схемы с непосредственной, автотрансформаторной и трансформаторной связью.

Схемы с непосредственной связью контура используются при больших входных и выходных сопротивлениях активного элемента (например, в усилителях на электронных лампах и на полевых транзисторах).

Рисунок 10.1 Резонансный усилитель на полевом транзисторе

Рассмотрим схему резонансного усилителя на полевом транзисторе (рисунок 10.1).

Его отличие от резисторного в том, что в цепь стока включен колебательный контур, содержащий индуктивность и емкости , . Настраивается контур на резонансную частоту конденсатором переменной емкости .

На частоте резонанса контур имеет наибольшее эквивалентное активное сопротивление. При этом коэффициент усиления усилителя будет максимальным, называемым резонансным. На частотах, отличающихся от резонансной, эквивалентное сопротивление и коэффициент усиления уменьшаются, что определяет избирательные свойства усилителя.

Поскольку величина емкости конденсатора в 50 – 100 раз превышает максимальную емкость конденсатора , то резонансная частота контура определяется практически параметрами и .

В схеме применено последовательное питание стока через развязывающий фильтр и индуктивность (полевых транзисторах сток и исток можно поменять местами). Исходный режим на затворе определяется величиной падения напряжения тока истока на . Емкость устраняет отрицательную обратную связь по переменному току. Конденсатор разделительный. Резистор служит для подачи исходного напряжения на затвор.

Полевые транзисторы с изолированным затвором позволяют получить очень малую величину проходной емкости, обеспечивающую устойчивую работу усилителя даже на СВЧ, с показателями, лучшими, чем у электронных ламп.

Схемы с автотрансформаторной и трансформаторной связью контура позволяют устанавливать необходимую величину связи контура с активными элементами для достижения заданной избирательности и усиления, а также для повышения устойчивости работы усилителя.

Автотрансформаторная и трансформаторная схемы связи используются как в ламповых, так и в транзисторных усилителях, но особенно характерно их применение в усилителях на биполярных транзисторах, вследствие сравнительно малых входного и выходного сопротивлений у них даже на относительно невысоких частотах.

Рассмотрим автотрансформаторные и трансформаторные схемы связи на примере усилителей на биполярных транзисторах (рисунок 10.2, 10.3).

На рисунке10.2 приведена схема с двойной автотрансформаторной связью контура с транзисторами. Ее отличие от схемы рисунка 10.1 в том, что контур подключен к усилительным приборам с помощью отводов с коэффициентами трансформации и . Напряжение питания на коллектор подано через развязывающий фильтр и часть витков катушки индуктивности контура . Исходный режим и температурную стабилизацию обеспечивают с помощью резисторов . Емкость устраняет отрицательную обратную связь по переменному току. Конденсатор – разделительный, предотвращает попадание питающего напряжения коллектора в цепь базы.

Рисунок 10.2 Схема с двойной автотрансформаторной связью контура

На рисунке 10.3 приведена схема с трансформаторной связью.

Рисунок 10.3 Схема с трансформаторной связью

Контур имеет трансформаторную связь с коллектором транзистора данного каскада и автотрансформаторную со входом следующего. Трансформаторная связь конструктивно более удобна (более гибкая).

Общим для всех схем является двойное частичное включение контура. Полное включение можно рассматривать как частный случай, когда коэффициенты включения (трансформации) равны единице.

10.3 Обратные связи в усилителях радиочастоты

В усилителях в целом и в отдельных его каскадах всегда образуются цепи, создающие пути для прохождения усиливаемого сигнала с выхода на вход. Эти цепи создают обратные связи .

При сильной положительной обратной связи может наступить самовозбуждение и усилитель превратится в генератор незатухающих колебаний. Если из-за обратной связи усилитель не возбуждается, но близок к самовозбуждению, то его работа будет неустойчива.

При малейшем изменении параметров усилительного прибора, например из-за изменения напряжения источника питания, температуры, будут резко меняться и усиление и полоса пропускания усилителя. Поэтому к усилителю предъявляют требование устойчивости, под которым понимают не только необходимость отсутствия самовозбуждения, но главным образом постоянство его параметров в процессе эксплуатации.

Причины образования обратных связей в усилителях:

1. Наличие внутренней обратной проводимости в усилительных приборах, связывающей входные и выходные цепи каскадов.

2. Связь через общие источники питания нескольких каскадов усиления.

3. Индуктивные и емкостные обратные связи, возникающие между монтажными проводами, катушками и другими деталями усилителя.

Обратная связь в усилителях возможна через общие цепи питания, через внешние элементы схемы, через проводимость внутренней обратной связи активного элемента. Первые два вида обратной связи, в принципе, могут быть устранены рациональным построением схемы и конструкции усилителя.

Обратная связь через общий источник питания в многокаскадных схемах, где элементом связи служит его внутреннее сопротивление, является одной из важных причин неустойчивости усилителей.

Эти обратные связи ослабляются в нужной степени введением в усилитель соответствующих развязывающих фильтров, состоящих из резисторов и емкостей , и снижением внутреннего сопротивления источника питания для переменных токов (например, шунтированием его большой емкостью).

Вредные магнитные и емкостные обратные связи устраняются рациональной конструкцией усилителя и его монтажа и экранированием основных элементов входной и выходной цепи отдельных каскадов.

Внутренняя обратная связь , принципиально присущая усилительным приборам, является главной причиной неустойчивости усилителей. Поэтому ее наличие должно учитываться при расчете усилителей.

Рассмотрим влияние внутренней обратной связи. Внутренняя обратная связь в усилителе обусловлена обратной проводимостью .

На рисунке 10.4 приведена упрощенная принципиальная схема каскада усилителя с автотрансформаторным включением контура I во входную цепь и контура II в выходную цепь усилительного прибора.

Рисунок 10.4 К вопросу о влиянии внутрен­ней обратной связи

Предположим, что контуры I и II достаточно хорошо экранированы один от другого и в цепи питания включены блокирующие фильтры. В этом случае единственным источником обратной связи, которая может привести к самовозбуждению усилителя, будет проводимость усилительного прибора.

Наличие в усилительных приборах внутренней обратной связи через проводимость приводит к влиянию нагрузки и выходной проводимости усилительного прибора на его входную проводимость и изменяет ее характер.

10.4 Устойчивость работы усилителя радиочастоты

Наличие в усилительных приборах внутренней обратной связи приводит к взаимному влиянию контуров УРЧ (входного I и выходного II, рисунок4), а также к нестабильности в процессе эксплуатации основных параметров усилителя: коэффициента усиления, полосы пропускания, избирательности и др.

Причем комплексный характер проводимости и крутизны усилительного прибора приводит к сложной частотной зависимости этого влияния.

Во входной контур I вносится дополнительная проводимость, которая в общем случае имеет комплексный характер и вызывает искажение формы его частотной характеристики.

Эти искажения тем сильнее, чем больше коэффициент усиления усилителя.

Для нормальной и устойчивой работы УРЧ необходимо обеспечить малое изменение формы его частотной характеристики под влиянием внутренней обратной связи. Для этого необходимо определить максимальное значение коэффициента усиления каскада, при котором эти искажения еще не будут влиять на качество работы усилителя.

Подобные искажения частотной характеристики под влиянием внутренней обратной связи приводят к неустойчивости ее формы. Небольшие изменения параметров усилительного прибора, вызванные неизбежными в процессе эксплуатации изменением температуры или режима питания, приводят к изменению формы частотной характеристики.

Для того чтобы форма частотной характеристики входного контура и его полоса пропускания не сильно искажались, необходимо, чтобы вносимая обратной связью проводимость практически не влияла на полную проводимость входного контура.

Усилитель считается устойчивым (устойчиво работающим), если внутренняя обратная связь усилительного прибора незначительно изменяет форму его частотной характеристики и полосу пропускания.

Для количественной оценки степени устойчивости используется коэффициент устойчивости, который характеризует влияние внутренней обратной связи на искажение частотной характеристики входного контура.

Коэффициент устойчивости равен отношению

где - эквивалентное сопротивление, добротность и полоса пропускания входного контура без учета влияния внутренней обратной связи;

Эквивалентное сопротивления, добротность и полоса пропускания входного контура с учетом влияния внутренней обратной связи.

Таким образом, за критерий устойчивости принимается величина, которая показывает, во сколько раз изменяется добротность и полоса пропускания входного контура за счет влияния внутренней обратной связи.

Если обратные связи отсутствуют, то и .

Если же обратные связи полностью скомпенсировали потреи во входном контуре и усилитель самовозбуждается, то и .

Таким образом, коэффициент устойчивости изменяется от 0 до 1. Чем больше коэффициент устойчивости, тем дальше усилитель от состояния самовозбуждения, тем меньше искажение формы его частотной характеристики и изменение полосы пропускания.

Можно допустить изменение полосы пропускания входного контура под влиянием внутренней обратной связи на (10-20)%, для чего обычно принимают .

Многокаскадные усилители более склонны к самовозбуждению за счет проводимости , чем однокаскадные.

10.5 Искажения в усилителях радиочастоты

Усиливаемые УРЧ сигналы обычно имеют сложную форму, т.е. состоят из колебаний различных частот с различными амплитудами и фазами. УРЧ может вносить в усиливаемый сигнал следующие виды искажений: амплитудно-частотные, фазо-частотные и нелинейные.

В связи с тем, что полоса пропускания УРЧ обычно значительно шире, чем основного избирательного тракта промежуточных частот, то практически УРЧ амплитудно-частотных искажений в усиливаемый сигнал не вносит. Такие УРЧ практически не вносят и фазо-частотных искажений, поскольку они широкополосные и обычно не содержат более двух каскадов.

Исключение составляют УРЧ диапазона километровых волн (10-500 кГц).

Наибольшую опасность в УРЧ представляют нелинейные искажения. Если характеристика усилительного прибора нелинейна для области амплитуд полезного сигнала на входе УРЧ, то в нем могут возникать нелинейные искажения.

При большой амплитуде мешающих сигналов и нелинейности характеристики усилительного прибора УРЧ между полезным и мешающим сигналами возникает нелинейное взаимодействие.

В результате появляются нелинейные явления, такие, как:

Перекрестная модуляция;

Забитие полезного сигнала мешающим сигналом;

Взаимная модуляция (интермодуляция) между мешающими сигналами, частоты которых не совпадают с частотой настройки УРЧ, на продукты их взаимодействия попадают в полосу пропускания полезного сигнала или совпадают с частотами дополнительных каналов приема.

Перекрестная модуляция проявляется в том, что сигнал мешающей станции, значительно отличающийся по частоте от сигнала принимаемой станции (полезного), на частоту которой настроен УРЧ, существует на выходе УРЧ одновременно с полезным сигналом.

При прекращении работы станции, на частоту которой настроен УРЧ (пропадании полезного сигнала), мешающий сигнал полностью пропадает.

Перекрестная модуляция возникает в УРЧ при одновременном взаимодействии на его входе двух и более (полезного и мешающих) сигналов, из которых хотя бы один мешающий сигнал большой амплитуды.

Этот сигнал с большей амплитудой перемещает рабочую точку усилительного прибора на нелинейной части его характеристики со своей собственной частотой.

В результате происходит изменение крутизны характеристики усилительного прибора за счет действия сильного мешающего сигнала и перенос модуляции с мешающего сигнала на полезный.

При этом ухудшается различимость полезного сигнала, а при больших уровнях помехи прием становится невозможным.

Величина перекрестной модуляции не зависит от амплитуды полезного сигнала, поэтому ее нельзя уменьшить за счет увеличения амплитуды полезного сигнала.

В коротковолновом диапазоне уровень мешающих сигналов на входе УРЧ может достигать единиц и даже десятков вольт.

Забитием УРЧ помехой называют уменьшение усиления УРЧ и соответствующее ослабление полезного сигнала под действием мешающего сигнала близкой частоты и очень большой амплитуды.

Полосу частот, в которой наблюдается это явление, называют полосой забития.

Явление забития объясняется теми же причинами, как и перекрестная модуляция.

При очень больших амплитудах мешающих сигналов происходит не только модуляция крутизны, но и уменьшение ее среднего значения; может также резко возрастать постоянная составляющая входного тока усилительного прибора.

Взаимная модуляция (интермодуляция) происходит в усилителе радиочастоты при одновременном воздействии на его входе двух и более мешающих сигналов (например, частоты и ) большой амплитуды, выходящей за пределы линейного рабочего участка характеристики усилительного прибора.

В результате взаимодействия этих сигналов возникают комбинационные помехи вида:

Совпадающие с частотой настройки УРЧ;

Совпадающие с частотой зеркального или дополнительного каналов;

Совпадающие с промежуточной частотой приемника.

Составляющие особенно опасны, так как контур УРЧ настроен на эту частоту.

Одним из лучших методов борьбы со всеми рассмотренными видами нелинейных искажений является улучшение эффективной избирательности УРЧ.

Для этого необходимо повысить избирательность входной цепи, применять в первых каскадах УРЧ усилительные приборы с линейной характеристикой и не включать первые каскады УРЧ в систему АРУ.

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЧАСТОТЫ

11.1 Назначение, структурная схема и принцип работы преобразователей частоты

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

Как видно из диаграмм напряжений на входе и выходе ПЧ (рисунок 11.1), при преобразовании частоты закон модуляции (в данном случае – амплитудной) не нарушается, а изменяется только частота несущего колебания на выходе преобразователя.

Рисунок 11.1 Временные диаграммы напряжений на входе (а) и выходе ПЧ (б)

Спектр преобразованного колебания (рисунок 11.2) сместился по оси частот влево (для ); при этом характер спектра не изменился.

Рисунок 11.2 Спектр частот на входе (а) и выходе ПЧ (б)

Здесь - частота модулирующего колебания; и - несущие частоты для и .

Для преобразования частоты в радиоприемниках используются линейные цепи с периодически меняющимися параметрами .

Структурная схема преобразования частоты (рисунок 11.3) содержит преобразовательный элемент ПЭ , гетеродин Г и фильтр Ф .

Рисунок 11.3 Структурная схема ПЧ

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

Положим, что к ПЭ со строго квадратичной ВАХ (рисунок 11.4) приложены напряжение гетеродина и некоторое начальное напряжение смещения ; при этом .

Под действием напряжения гетеродина рабочая точка ПЭ начинает периодически изменяться во времени и, как следует из рисунка 11.4, крутизна в рабочей точке также будет периодически меняться от до . Так как , то при квадратичной ВАХ зависимость крутизны от напряжения линейна.

Рисунок 11.4 Вольт-амперная характеристика ПЧ

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

где - постоянная составляющая крутизны ПЭ; - амплитуда первой гармоники крутизны ПЭ.

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

Пусть на входе ПЭ действует сигнал , где - функции времени.

Подставив в выражение для тока значения и , получим

Используя правило перемножения косинусов, запишем

Согласно (11.1), ток на выходе ПЭ содержит составляющие трех частот: частоты сигнала , суммарной частоты и разностной частоты .

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

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

Согласно (11.2), амплитуда полезной составляющей выходного тока пропорциональна амплитуде сигнала , следовательно, при преобразовании частоты закон изменения амплитуды сигнала (амплитудная модуляция) сохраняется.

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

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

Преобразователи частоты подразделяют:

В зависимости от вида ПЭ: диодные, транзисторные, интегральные ;

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

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

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

Выводы:

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

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

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

11.2 Общая теория преобразования частоты

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

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

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

Анализ проведем при следующих допущениях:

1) полагаем, что на ПЭ (рисунок 11.3) действуют три гармонических напряжения:

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

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

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

Составляющая тока не содержит полезной составляющей тока с частотой

Преобразование частоты возможно на любой гармонике крутизны:

Из этих значений используется только одно.

Если при , то преобразование частоты называется простым .

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

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

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

В выражении (11.8) первое слагаемое характеризует преобразование частоты, второе – реакцию фильтра.

Крутизна прямого преобразования по определению крутизны при . Согласно (11.8),

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

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

Внутренний коэффициент усиления преобразователя

С учетом принятых обозначений

11.3 Частотная характеристика преобразователя

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

Пусть в качестве фильтра преобразователя используется одиночный резонансный контур, настроенный на частоту (рисунок 11.5).

Рисунок 11.5 Эквивалентная схема ПЧ

С изменением при фиксированном значении промежуточная частота меняется.

Рисунок 11.6 Графические зависимости

Графические зависимости , построенные согласно (7.7), показаны на рисунке 11.6,а . При ; при и т.д.

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

Согласно рисунок6а , условие резонанса выполняется не на одной частоте сигнала, а на нескольких частотах ; следовательно, АЧХ преобразователя имеет несколько подъемов. Каждому подъему соответствует определенная полоса пропускания, через которую на выход приемника могут проходить составляющие спектра сигнала и помех. Такие полосы пропускания называют каналами приема . Каждый канал соответствует своей частоте сигнала. АЧХ преобразователя показана на рисунок60б , форма АЧХ каждого канала зависит от вида фильтра ПЧ.

11.4 Диодные преобразователи частоты

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