Заглавная страница Избранные статьи Случайная статья Познавательные статьи Новые добавления Обратная связь FAQ Написать работу КАТЕГОРИИ: ТОП 10 на сайте Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрацииТехника нижней прямой подачи мяча. Франко-прусская война (причины и последствия) Организация работы процедурного кабинета Смысловое и механическое запоминание, их место и роль в усвоении знаний Коммуникативные барьеры и пути их преодоления Обработка изделий медицинского назначения многократного применения Образцы текста публицистического стиля Четыре типа изменения баланса Задачи с ответами для Всероссийской олимпиады по праву
Мы поможем в написании ваших работ! ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ?
Влияние общества на человека
Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрации Практические работы по географии для 6 класса Организация работы процедурного кабинета Изменения в неживой природе осенью Уборка процедурного кабинета Сольфеджио. Все правила по сольфеджио Балочные системы. Определение реакций опор и моментов защемления |
Высокочастотные усилители радиочастотыСодержание книги
Поиск на нашем сайте 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 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 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 схеме применено последовательное питание стока через развязывающий фильтр 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
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 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 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 Через внутреннюю обратную связь создаются паразитные влияния выходного контура усилителя на входной (рисунок 10.4). При анализе свойств и параметров усилителя проводимость внутренней обратной связи 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 Наличие в усилительных приборах внутренней обратной связи через проводимость
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 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
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 Если же обратные связи полностью скомпенсировали потреи во входном контуре и усилитель самовозбуждается, то 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
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 В результате взаимодействия этих сигналов возникают комбинационные помехи вида: - - - Составляющие 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 Как видно из диаграмм напряжений на входе и выходе ПЧ (рисунок 11.1), при преобразовании частоты закон модуляции
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
Рисунок 11.2 Спектр частот на входе (а) и выходе ПЧ (б)
Здесь 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 Положим, что к ПЭ со строго квадратичной ВАХ Под действием напряжения гетеродина рабочая точка ПЭ начинает периодически изменяться во времени и, как следует из рисунка 11.4, крутизна
Рисунок 11.4 Вольт-амперная характеристика ПЧ
Следовательно, при косинусоидальном напряжении
где Ток на выходе ПЭ Пусть на входе ПЭ действует сигнал Подставив в выражение для тока
Используя правило перемножения косинусов, запишем
Согласно (11.1), ток на выходе ПЭ содержит составляющие трех частот: частоты сигнала 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 Фаза тока Амплитуда тока 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 Если 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
11.2 Общая теория преобразования частоты
При анализе преобразователя частоты по аналогии с резонансными усилителями решают две задачи: 1) определяют выходное напряжение 2) находят составляющую входного тока преобразователя на частоте 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 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
Преобразование частоты возможно на любой гармонике крутизны:
Из этих значений используется только одно. Если при Если при Таким образом, из всех составляющих выходного тока только одна с частотой
где В выражении (11.8) первое слагаемое характеризует преобразование частоты, второе – реакцию фильтра. Крутизна прямого преобразования по определению крутизны
где Внутренняя проводимость преобразователя частоты по определению,
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 Пусть в качестве фильтра преобразователя используется одиночный резонансный контур, настроенный на частоту
Рисунок 11.5 Эквивалентная схема ПЧ
С изменением
Рисунок 11.6 Графические зависимости
Графические зависимости Таким образом, различным значениям Согласно рисунок6 а, условие резонанса выполняется не на одной частоте сигнала, а на нескольких частотах
11.4 Диодные преобразователи частоты
В большинстве приемников сверхвысоких частот в качестве ПЭ преобразователей частоты и
|
||
|
Последнее изменение этой страницы: 2016-04-26; просмотров: 1239; Нарушение авторского права страницы; Мы поможем в написании вашей работы! infopedia.su Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Обратная связь - 216.73.216.156 (0.011 с.) |