книги / Усилители промежуточной частоты

КАЧЕСТВЕННЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ,

СТРУКТУРА И КЛАССИФИКАЦИЯ

УСИЛИТЕЛЕЙ ПРОМЕЖУТОЧНОЙ ЧАСТОТЫ

< 1. ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЕ ЗАМЕЧАНИЯ

Эксплуатационные свойства радиоприемного устрой­ ства существенно зависят от свойств его УПЧ. Полная опенка УПЧ может быть выполнена только при совме­ стном учете всего комплекса его качественных показа­ телей, основными из которых являются:

—номинальная промежуточная частота,

—степень усиления полезного сигнала,

—полоса пропускаемых частот,

—частотная избирательность,

—стационарность качественных показателей. Помимо перечисленных часто используются другие

показатели, которые в зависимости от задач, выполняе­ мых радиоприемным устройством, могут приобретать су­ щественное значение. К. ним относят: степень неравно­ мерности резонансной кривой, коэффициент шума, габа­ риты, вес, стоимость и др.

1.2.КАЧЕСТВЕННЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ УПЧ

1.Номинальная промежуточная частота /0. В узко­ полосных УПЧ частота /0 соответствует резонансной ча­ стоте настройки контуров каскадов и частот называется

резонансной. В широкополосных усилителях частоте /о соответствует средняя частота полосы пропускания. И в том и в другом случае ее величина зависит от на­ значения приемника и выбирается в пределах от 100 кгц до 200 Мгц.

2. Степень усиления полезного сигнала. Степень уси­ ления полезного сигнала УПЧ принято характеризовать коэффициентами усиления по напряжению /С7?, току !Уп или мощности Мп\ индекс п здесь обозначает число кас­ кадов УПЧ. В книге наиболее часто используется коэф-

фициент усиления по напряжению, равный отношению амплитуды напряжения сигнала на нагрузке усилителя »вых к амплитуде входного напряжения сигнала «в.ч на входных зажимах первого каскада:

В теории УПЧ широко применяется понятие комплексно­ го коэффициента усиления по напряжению, равного от­ ношению комплексных амплитуд напряжений на выходе и входе усилителя:

где Кп — модуль коэффициента усиления; срп — фазовый сдвиг, возникающий при прохождении сигнала через УПЧ.

Коэффициент усиления по напряжению измеряют на номинальной промежуточной частоте. При этом он обо­ значается как Коп' Величина Коп имеет порядок 103—10е. Величины Кп и фп существенно зависят от частоты /. Отношение Kn/Kon=Pn(f) принято называть уравнени­ ем резонансной кривой, а зависимость cpn ( f ) — уравне­ нием фазовой характеристики.

В транзисторных УПЧ с последовательным включе­ нием входной цепи транзистора в колебательный контур удобно вместо коэффициента усиления по напряжению пользоваться понятием коэффициента усиления по току

Уравнения резонансной и фазовой характеристик очень часто записывают не как функции частоты, а в виде функций относительной у или обобщенной х расстроек, причем

а у специальных приемников достигает десятков мегагерц. Подавляющее большинство схем УПЧ относится к катего­ рии минимально-фазовых цепей и обладает однозначной взаимосвязью резонансной, фазовой и переходной ха­

рактеристик. Это позволяет предъявлять требования только к одной из них, если есть уверенность, что при этом остальные характеристики будут отвечать соответ­ ствующим техническим условиям. Наиболее удобно ха­ рактеризовать качество УПЧ формой резонансной кри­ вой, т. е. ее равномерностью в пределах полосы пропу­ скания и шириной полосы пропускания.

4. Частотная избирательность. Под частотной изби­ рательностью понимают способность УПЧ отделять по­ лезный сигнал от мешающих сигналов. Требование к из­ бирательности существенно лишь при действии таких помех, мощность которых в основном распределена за пределами полосы пропускания. Если мощность помехи сосредоточена в узкой полосе частот (на одной частоте), то УПЧ должен обладать достаточно высокими частот­ но-избирательными свойствами по отношению к этой помехе. В диапазоне метровых-сантиметровых воли основными являются шумовые помехи, имеющие непре­ рывный равномерный спектр. Действие такой помехи на приемник в основном определяется мощностью той части ее спектра, которая укладывается в полосу пропускания УПЧ. При этом более или менее крутой спад боковых ветвей резонансной кривой почти не имеет значения. По этой причине в приемниках указанного диапазона к УПЧ предъявляется лишь требование достаточно боль­ шого усиления при заданной полосе пропускания.

Различают два вида избирательности — линейную и эффективную. Линейная избирательность предполагает наличие таких входных сигналов помех, уровень которых не вызывает перекрестные искажения в каскадах УПЧ. Эффективная избирательность УПЧ—это его способность отделять полезный сигнал на номинальной промежуточ­ ной частоте от сигналов, помех, уровень которых доста­ точен для того, чтобы вызвать перекрестные искажения в каскадах усилителя. УПЧ может иметь высокую ли­ нейную избирательность, но невысокую эффективную. В многокаскадных УПЧ, у которых каждый каскад обу­ словливает определенную долю избирательности, общая линейная избирательность может быть высокой. В то же время избирательность каждого каскада, например пер­ вого, невелика. Первый каскад может усилить сигнал помехи до уровня, при котором во втором каскаде возникают перекрестные искажения. Эффективная изби­ рательность определяется главным образом свойствами

межкаскадной цепи, включаемой между преобразовате­ лем частоты и первым каскадом УПЧ. Линейная изби­ рательность УПЧ оценивается по его резонансной кри­ вой двумя способами.

Избирательностью

где КапУап — значение модуля коэффициента усиления на частоте /о, на которой оценивается избирательность;

оп — безразмерная величина, являющаяся функцией ча­ стоты и показывающая, во сколько раз усилитель ослаб­ ляет сигнал помехи на частоте fa (кривая избиратель­

ности рис. 1.2).

Для обеспечения хорошей частотной избирательности усиление должно резко уменьшаться за пределами по­ лосы пропускания, т. е. резонансная кривая усилителя должна иметь крутые боковые ветви приближаясь по форме возможно ближе к прямоугольной. Отсюда выте­ кает второй способ оценки частотной избирательности. Степень отличия резонансной кривой реального УПЧ от

няющихся внешних условий: ударов, вибраций, измене­ ний напряжения источников питания, колебаний температуры, влажности и др. Эти воздействия приводят к изменению его основных качественных показателей. Поэтому к УПЧ предъявляется требование достаточно

высокой стационарности качественных показателей при наиболее неблагоприятном сочетании изменений внеш­ них условий.

Стационарность УПЧ включает в себя понятия ста­ бильности и устойчивости основных качественных Пока­ зателей.

Стабильность характеризует степень постоянства ка­ чественных показателей УПЧ под воздействием внешних дестабилизирующих факторов (изменения температуры, непостоянство напряжений источников питания, механи­ ческие воздействия, смена усилительных приборов, имею­ щих разброс параметров и т. п.). При этом предпола­ гается, что влиянием паразитных обратных связей в УПЧ можно пренебречь.

Устойчивость характеризует влияние паразитных обратных связей в УПЧ на его качественные показа­ тели. В УПЧ, у которого влиянием паразитных обрат­ ных связей пренебречь нельзя, может существенно ухуд­

являются исходными при проектировании УПЧ. В зави­ симости от назначения УПЧ к нему могут быть предъяв­ лены дополнительные специфические требования. При­ емники СВЧ в некоторых случаях не имеют усилителей высокой частоты и входным каскадом является преоб­ разователь частоты на пассивном нелинейном элементе (например, на полупроводниковом диоде). В этом слу­ чае чувствительность приемника в значительной степени определяется шумовыми и усилительными свойствами первых каскадов УПЧ. Помимо других требований, пер­ вый (иногда и второй) каскад УПЧ должен иметь ми­ нимальный коэффициент шума и возможно большой коэффициент усиления.

Точностные характеристики фазовых систем радио­ навигации, радиоуправления, радиолокации и систем единого времени в значительной степени определяются стабильностью фазовых характеристик УПЧ. По этой причине для УПЧ приемников этих систем весьма суще­ ственна высокая фазовая стабильность.

К УПЧ могут быть дополнительно предъявлены так­ же следующие требования:

— число каскадов УПЧ, габариты, вес, стоимость должны быть минимальными;

— УПЧ должен быть прост по конструкции, при на­ стройке и в процесее эксплуатации, экономичным по источникам питания.

1.3.СТРУКТУРА УСИЛИТЕЛЕЙ

Вобщем случае УПЧ состоит из нескольких каскадов (рис. 1.3), обеспечивающих последовательное усиление

сигнала до нужной величины. В состав усилительного каскада входят:

1. Усилительный прибор (пентод, биполярный или униполярный транзистор, каскодное соединение двух триодов или транзисторов). Усилительный прибор (УП)

Рис. 1.3. Структурная схема многокаскадного УПЧ с распределен­ ной избирательностью.

служит для преобразования энергии источников питания

вэнергию полезного сигнала.

2.Межкаскадиая цепь (МЦ) (одиночный колеба­ тельный контур, двухконтурный полосовой фильтр, со­

единение /?С-элементов и др.). Межкаскадная цепь слу­ жит для передачи энергии сигнала от одного усилитель­ ного прибора к другому, для обеспечения необходимой полосы пропускания и частотно-избирательных свойств, а также для согласования (главным образом в УПЧ на биполярных транзисторах) усилительных приборов со­ седних каскадов с целью получения максимального уси­ ления.

3.Нагрузка (входная проводимость следующего кас­ када или детектора), реализующая полезный сигнал.

4.Детали цепей питания усилительного прибора,

цепи ослабления влияния паразитных обратных связей, цепи температурной стабилизации и др.

5. Источники питания (обычно общие для всех кас­ кадов УПЧ и для других узлов приемника).

УПЧ может быть построен по одному из двух прин­ ципов, предполагающих:

печивает более высокую избирательность. Основной объем микроминиатюрных УПЧ занимают контурные

объем, особенно если в качестве ФСИ используются пьезоэлектрические, электромеханические или пьезоме­ ханические фильтры.

3. Каждый каскад усилителя в многокаскадных УПЧ имеет в среднем невысокую избирательность. Поэтому воздействию помех со стороны мешающих радиостанций подвергаются не только первый, но и последующие кас­ кады. В результате перекрестные искажения и интермо­ дуляция могут возникнуть одновременно в нескольких каскадах и при высокой линейной избирательности УПЧ может иметь низкую эффективную избирательность. Этот недостаток характерен для УПЧ приемников длин­ ных — коротких волн.

4. Качественные показатели каждого каскада и уси­ лителя в целом зависят от разброса параметров усили­ тельных приборов. Для обеспечения заданной стабиль­ ности качественных показателей приходится применять дополнительные меры. Каскады УПЧ с ФСИ, особенно выполненные по апериодической схеме, малочувствитель­ ны к разбросу параметров усилительных приборов.

5. Наличие в каскадах колебательных контуров при­ водит к возможности неустойчивой работы из-за пара­ зитной внутренней обратной связи в усилительных при­ борах. Этот недостаток в основном характерен для УПЧ на биполярных транзисторах. Здесь практически всегда приходится применять специальные меры по повышению устойчивости. Внутренняя обратная связь усилительных приборов практически не оказывает влияния на устойчи­ вость апериодических каскадов УПЧ с ФСИ.

Главным достоинством принципа равномерного рас­ пределения усиления и избирательности является наибо­ лее полная реализация потенциальных усилительных возможностей применяемых ламп и транзисторов. УПЧ, построенный по этому принципу, при одном и том же усилении, что и у усилителя с ФСИ, содержит меньше усилительных приборов и деталей и имеет меньшую стоимость.

При высоких значениях номинальной промежуточ­ ной частоты возникают затруднения с реализацией ФСИ и апериодических усилителей.