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

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

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

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

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

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

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

Рисунок 2. Принципиальная схема каскодного усилителя радиочастоты

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

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

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

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

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

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

Рисунок 4. Конструкция печатной платы усилителя радиочастоты

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

Литература:

Вместе со статьей "Усилители радиочастоты" читают:

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

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

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

Панасюк Анатолий Георгиеаич
Должность: преподаватель
Учебное заведение: ГБПОУ КК "Краснодарский колледж электронного приборостроения"
Населённый пункт: Краснодар
Наименование материала: Радиоприёмные устройства
Тема: Усилители радиочастоты
Дата публикации: 05.01.2018
Раздел: среднее профессиональное

Усилители радиотракта

Глава 3

Усилители радиотракта

3.1 Усилители радиочастоты (УРЧ), функции, основные

качественные показатели.

3.1.1 Схемы УРЧ, устойчивость УРЧ.

Основные функции УРЧ.

1. Усиление принимаемых сигналов на несущей частоте, необходимое для

улучшения реальной чувствительности РПрУ.

2. Обеспечение селективности (избирательности) РПрУ к сильным помехам,

и селективности по побочным каналам приёма (зеркальный канал, прямой и

промежуточный канал).

Основные качественные показатели.

1. Коэффициент усиления напряжения

Кu=Uвыx/Uвх; K=20 lgKu

Для многокаскадного УРЧ общий коэффициент усиления

K1xK2…..Kn

2. Селективность - показывает, насколько уменьшается коэффициент

усиления на частоте мешающего сигнала

Se=Kо/K; Se==20lg Ко/К

3. Полоса пропускания характеризует широкополосность УРЧ.

4. Коэффициент перекрытия диапазона (ширина диапазона)

5. Устойчивость работы - характеризует способность УРЧ сохранять

основные показатели при изменении внешних и внутренних факторов среды

(температуры, изменение напряжения питания).

Рис. 3.1 Обобщённая схема УРЧ

3.1.2 Анализ обобщённой схемы резонансного одноконтурного УРЧ.

На вход УП (усилительного прибора) поступает сигнал, который необходимо

выходному

электроду

колебательного контура (Lк,Ск) . Выходной сигнал снимается с контура и

подаётся на вход следующего каскад, проводимость которого равна Y

общем случае колебательный контур подключается к выходному электроду УП

и нагрузке частично, с коэффициентом включения ml и m2. коэффициент

включения называется отношение части напряжения, снимаемое с контура

(Uвых) к полному напряжению на контуре (U

В общем случае резонансный коэффициенте усиления равен

где ml m2 - коэффициент включения

S - крутизна характеристики усилительного прибора

Резонансное сопротивление контура

3.1.3 Принципиальная схема УРЧ с автотрансформаторным включением

контура и автотрансформаторной связью со следующим каскадом.

Рис. 3.2 Принципиальная схема УРЧ

Усилители радиотракта

поступлении

напряжения

частотой

резонансной

коллекторной

транзистора

появляется переменный ток l

Протекая через резонансный контур (Lк, Ск, Сп)

переменная составляющая коллекторного тока создаёт на нём падение

напряжения Un. Часть этого напряжения снимается с отвода контурной катушки

Lк, и подаётся через конденсатор связи Сб на следующий каскад (базу

транзистора УТ2). База биполярного транзистора VТ2 подключена к части

выходной резонансной цепи Lк Ск, во избежание её сильного шунтирования

малых (1500 - 2500 Ом) входным сопротивлением транзистора. Коэффициент

включения m2, характеризующий степень связи базы транзистора VТ2 с

резонансной цепью Lк Ск всегда значительно меньше единицы. Коллектор

транзистора VT1 подключён к части контура. Неполная связь коллектора с

контуром Lк, Ск,Сп применяется для ослабления шунтирования контура

выходной цепью транзистора и для обеспечения устойчивой работы каскада.

3.1.4 Устойчивость РУ.

При определённых условиях РУ может самовозбуждаться и работать как

автогенератор с частотой, близкой к его резонансной. Это связано с наличием

внутренней обратной связи через транзистор (внутритранзисторная емкостная

ОС за счёт ёмкости перехода коллектор-база).

При создании усилителя важно, чтобы он не только не самовозбуждался,

но и с необходимым запасом обеспечивалась устойчивость при воздействии

различных

дестабилизирующих

факторов

климатических механических воздействий, нагрев УП) такой запас достигается

при выполнении условия:

где: Ко - резонансный коэффициент усиления определяемый из формулы

выше; Куст- устойчивый коэффициент усиления каскада.

где: S - крутизна транзистора

Ск - внутритранзисторная ёмкость ОС, равная ёмкости перехода коллектор

3.1.5 Меры повышения устойчивости РУ.

1. ДЛЯ УРЧ с фиксированной настройкой с целью повышения

устойчивости применяется нейтрализация ёмкости Ск.

Схема УРЧ с нейтрализацией

Рис. 3.3 Схема УРЧ с нейтролизацией

действия

заключается

введении

дополнительной

электрической цепи, по своим свойствам являющейся противоположной

проводимости ОС. Введение последовательной цепочки Rn и Сп должно быть

таким, чтобы обеспечивался поворот фазы напряжения нейтрализации на

180° относительно напряжения ОС. Часто для нейтрализации используется

только одна ёмкость.

2. УРЧ с транзистором, включенными по схеме с ОБ.

В таких УРЧ область базы транзистора при соединении её с общей точкой

схемы резко ослабляет емкостную связь между входом и выходом усилителя,

тем самым повышая его устойчивость.

Рис. 3.4 Схема УРЧ с ОБ

Усилители радиотракта

устойчивость

транзистор

работоспособен в более широкой полосе частот. Связь транзистора с

выходным контуром автотрансформаторная, с входным контуром через

емкостной

делитель,

входного

источником

трансформаторная,

выходного

последующим

каскадом

автотрансформаторная. УРЧ используется в приёмниках УКВ.

4. Каскадная схема УРЧ. Такой схемой называется схема, в которой

используется две различных схемы включения усилительных приборов.

Наиболее распространена комбинация схем включения ОЭ - ОБ.

Рис. 3.5 Каскодная схема УРЧ

Каскодные схемы сочетают в себе высокие усилительные свойcтвa схемы

включения

значительное

выходное

сопротивление

устойчивостью схемы с ОБ.. Каскадные усилители обеспечивают более

высокое устойчивое усиление, чем у двух каскадного усилителя на этих же

транзисторах.

Транзистор VT1 первого каскада каскадного усилителя включен по схеме

обеспечивает

достаточно

сопротивление

усилителя; при этом селективность (избирательность) цепи источника сигнала

снижается незначительно. Нагрузкой коллекторной цепи VT1 служит малое

входное сопротивление второго каскада каскадного усилителя, включённого

по схеме с ОБ. По этой причине первый каскад усилителя обеспечивает

усиление сигнала практически только по мощности, а второй по напряжению;

в целом усилитель обеспечивает высокое усиление и по мощности и по

напряжению. Применяется в РПУ метрового диапазона (УКВ).

3.2 Полосовые усилители.

Полосовыми усилителями называются усилители АЧХ которых близка к

прямоугольной.

Вследствие

полосовые

усилители

обеспечивают

равномерное

усиление

пропускания

ослабление

расположенных

резонансной

мешающих

сигналов.

применяются

качестве

усилителей

промежуточной

частоты(УПЧ) РПрУ, обеспечивая ослабление влияния близко расположенных

мешающих

сигналов

соседних

Полосовые

усилители

большинстве случаев, не перестраиваются, Т.е. предназначены для работы

на одной частоте настройки.

Рис. 3.6 АЧХ Полосового усилителя

Лучшая форма АЧХ ПУ достигается за счёт использования двухконтурных

(многоконтурных)

резонансных

специальных

фильтров ФСС. Они представляют собой избирательные системы с высокой

крутизной спада, коэффициент передачи за границей полосы пропускания.

практике

применяются

различные

многоконтурные и многозвенные, электромеханические, пьезоэлектрические,

пьезомеханические, пьезокерамические.

3.2.1 Схема УПЧ на двухсвязных контурах.

Рис. 3.7 Схема УРЧ с ДПФ

Усилители радиотракта

Рис. 3.8 Ачх УРЧ с ДПФ

При критической связи между контурами когда В=l АЧХ имеет один

максимум, уплощенную вершину и хорошую равномерность в полосе пр

опускания при В> 1 АЧХ получается с двумя боковыми максимумами. При

увеличении

увеличивается

пропускания

расширяется и вместе с тем увеличивается неравномерность в полосе

пропускания. При В < 1 АЧХ имеет один максимум но полоса пропускания

меньше чем при В= 1. Таким образом наивыгоднейшей связью между

контурами является критической В= 1.

полосового

усилителя

сравнению

одноконтурного РУ отличается более прямоугольной формой, что говорит о

лучшей селективности заданной полосы частот.

3.2.2 УПЧ с фильтром сосредоточенной селекции.

Рис.3.9 Схема УРЧ с ФСС на LC-звеньях

дискретных

элементах

элементах

колебательных контуров, связь между которыми в основном емкостная, но

может быть индуктивной и комбинированной. Приведённая схема УПЧ с ФСС

двухконтурных

согласованных

волновому

сопротивлению

емкостной

контурами.

транзистором

автотрансформаторная

последующим

каскадом

трансформаторная. Степень связи с ФСС выбирают исходя из согласования

выходного сопротивления VТ1 и входного сопротивления последующего

каскада. Для ослабления магнитных связей между катушками их обычно

помещают в экран. Внешние контуры L 1 С 1 и L3 C3 являются полузвеньями

ФСС. Количество звеньев в ФСС определяется количеством конденсаторов

3.2.3 УПЧ с Пьезокерамическим фильтром

габариты,

изготовлении,

обладают

затуханием в полосе пропускания и высоким коэффициентом прямоугольности

пропускания, что требует включения перед фильтром резонансного контура

обеспечивающего согласование выходного сопротивления транзистора с

вxoдным сопротивлением фильтра.

Рис. 3.10 УПЧ с ПКФ

В качестве примера приведём данные пьезокерамического фильтра типа

Ф П1П - 23 на промежуточную частоту 465 кГц. Полоса пропускания по

уровню 0,5 (вдб) - 9,5 кГц, селективность при расстройке:±9кГц - 40 дб;

вносимое затухание в полосе пропускания не более 9,5 дб Rвх = Квых = 2 кОм.

1. В УРЧ (УВЧ) приёмников наиболее широко используются одноконтурные

транзисторные

усилители.

устойчивое

усиление

обеспечивают

каскадные УРЧ.

2. В УПЧ с распределённой селекцией большая часть каскадов резонансная

Усилители радиотракта

результирующая

определяется

произведением

отдельных каскадов. В УПЧ с сосредоточенной селекцией результирующая

АЧХ определяется в основном АЧХ ФСС являющегося нагрузкой одного из

каскадов УПЧ (смесителя) остальные каскады могут быть апериодически или

широкополосными.

3. В качестве ФСС в УПЧ находят применение фильтры на дискретных LC

Звеньях, электромеханические, кварцы и пьезокерамические.

3.3 Схемы, конструкции и характеристики усилителей

радиосигналов

На умеренно высоких частотах используют УРЧ на биполярных (БТ) и

полевых (ПТ) транзисторах с высокими граничными частотами. Современная

интегральная

технология

позволяет

изготавливать

полупроводниковые

гибридные интегральные микросхемы (ИМС) усилителей радиосигналов (УРЧ

и УПЧ) с внешними избирательными цепями (колебательными контурами и

фильтрами). Здесь возможно также использование интегральных активных RС-

фильтров, однако их частотные свойства ограничены. Поэтому иногда активные

RC-yстройства используют одновременно с фильтрующими системами с

сосредоточенными параметрами (контурами, пьезокерамическими и другими

фильтрами). В этом случае они выполняют роль усилителей и устройств

Рис. 3.11 Схемы УРЧ с использованием полевого транзистора ИМС

согласования.

приведена

транзисторе

трансформаторным

включением

колебательного

Колебательный контур перестраивается варикапом, на который подается

управляющее напряжение смещения Uу. Требуемая устойчивость каскада

достигается

коэффициента

усиления,

меньшего

коэффициенту устойчивого усиления.

На рис. 3.11б, а дана принципиальная схема ИМС, предназначенной для

УРЧ, работающих на частотах до 150 МГц, на рис. 3.11, б - вариант ее

применения. Схема содержит каскодный усилитель (ОЭ-ОБ) на транзисторах

VT2 и VT1 , что обеспечивает высокую устойчивость. С помощью транзистора

VT3 осуществляется регулировка усиления ИМС, для чего необходимо

изменять управляющее напряжение Uу на выводе 9 , что приводит к

изменению

эмиттерного

величины

напряжения

следовательно, смещения на эмиттере VT2. С помощью диодов VD1, VD2,

резисторов R1-R3 (температурно-зависимого делителя базового смещения) и

цепей обратной связи достигается высокая стабильность параметров ИМС: в

интервале температур от -60 до +70°С изменение Y 21 | не превышает ±25

%. Усиление ИМС на частоте 10 МГц не менее 200 (сопротивление нагрузки

100 Ом), напряжение питания 6,3 В (± 10 %), потребляемая мощность 20 мВт.

Для ИМС характерен относительно низкий уровень шумов: на частоте 180МГц

коэффициент шума не более 7 дБ.

приведена

резонансного

применяться на частотах до 60 МГц. Она содержит ИМС 175УВ4, основу

которой составляет каскодный усилитель с дифференциальным каскадом.

Входной сигнал с контура входной цепи подается на базу транзистора VT4 ,

включенного но схеме с ОЭ, и усиливается далее транзистором VT3 (ОБ)

Такое включение позволяет повысить устойчивость усилителя и увеличить

Рис. 3.12 Принципиальная схема УРЧ на ИМС 175УВ4 работающего в

диапазоне частот

Усилители радиотракта

его выходное сопротивление, что допускает полное включение нагрузочного

Регулировка

усиления

осуществляться

управляющего напряжения: Uу на базу транзистора VT2 дифференциального

каскада. Так как ток эмиттера транзистора VT3 остается постоянным, то

входное сопротивление УРЧ в процессе регулировки усиления не изменяется,

что стабилизирует АЧХ усилителя в широком диапазоне изменения его

усиления.

выходной

перестраиваются

варикапов, входящих в состав варикапной матрицы. Для уменьшения влияния

нелинейных эффектов в каждом из контуров используют по два варикапа,

включенных последовательно по переменному току, что позволяет уменьшить

влияние нелинейностей четных порядков.

На СВЧ находят применение УРЧ на СВЧ-транзисторах (до сантиметровых

волн включительно), СВЧ-электронных лампах (метровый и дециметровый

диапазоны), ЛБВ, приборах с "отрицательным" сопротивлением, а также

параметрические и квантовые усилители.

Транзисторные усилители в последнее время широко распространены в

СВЧ-технике. Наряду с БТ используются ПТ с затвором типа барьера Шотки

(ПТШ) на основе арсенида галлия. В последнем случае можно повысить

рабочую частоту УРЧ до 80 ГГц (сравнительно с 15 ГГц для БТ), что

объясняется большой подвижностью носителей в ПТШ. На частотах 0,3-30 ГГц

коэффициент усиления транзисторных однокаскадных усилителей составляет

около 5-6 дБ при полосе 3-4 % от несущей, коэффициент шума около 6 дБ

Характерно, что режимы согласования УРЧ по шумам и мощности для ПТШ

отличаются в меньшей степени, чем для БТ. Конструктивно транзисторы

выполняются на основе безвыводного кристалла, кристалла с выводами, в

Рис. 3.13 Схемы УРЧ СВЧ диапазона

условно герметичной (не по всем внешним воздействиям) и полностью

герметичной конструкциях.

В качестве согласующих цепей на входе и выходе каскада используют

трансформирующие фильтры, выполненные на отрезках длинных линий, в

том числе полосковых, волноводах или на сосредоточенных элементах (в

длинноволновой части диапазона). Если согласование осуществляется в

широком диапазоне частот, то следует учесть падение усиления каскада с

ростом частоты. Поэтому можно осуществить согласование на верхней

границе диапазона, а на более низких частотах перейти к рассогласованию

применить

частотно-зависимые

устройства

элементы

диссипативными потерями, которые увеличиваются с ростом частоты. В

результате удается выравнять частотную характеристику Кр и получить малый

КСВн в широком диапазоне частот. Наибольшее применение на СВЧ находит

схема включения с ОЭ (ОИ), позволяющая получить наибольшее усиление и

наилучшие шумовые характеристики.

На рис. 3.13,а приведена электрическая схема малошумящего усилителя

диапазона

сантиметровых

Конструктивно

выполняется

сапфировой подложке, на которую наносятся тонкопленочные резисторы,

индуктивности, конденсаторы и соединительные элементы. Согласующе-

трансформирующие цепи имеют вид отрезков полосковых линий (на рис. 4.50

заштрихованы). Параметры усилителя следующие: Кр. = 25 дБ, диапазон

усиливаемых частот 3,5-4,2 ГГц, Кш=5 дБ, КСВн < 2, потребляемый ток 30

мА при напряжении источника 12B.

На СВЧ нашли применение также балансные УРЧ, структурная схема

которых приведена на рис. 3.13,б Как видно, мощность входного сигнала через

направленный делитель поступает на два одинаковых усилительных каскада,

а затем суммируется в направленном сумматоре. Резисторы Rбал. являются

поглощающими, что улучшает согласование и обеспечивает малый КСВн на

Усилители радиотракта

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ И ПОВТОРЕНИЯ

требования

предъявляются

усилителям

радиосигналов

зависимости oт области их применения?

2. Назовите и сравните различные виды параметров, используемых для

описания усилительных приборов в усилителе радиосигналов.

3. В чем заклю чается сущность иммитансного метода исследования

устойчивости усилителя радиосигналов?

4. В чем отличие коэффициента устойчивости усиления от коэффициента

предельного усиления усилителя радиосигналов?

5.Укажите методы борьбы с генерацией в усилителе радиосигналов. В чем

6. Как повысить коэффициент усиления усилителя радиосигналов?

7. Начертите схемы резонансных УРЧ, укажите назначения всех элементов.

8. Как изменяется в диапазоне частот резонансный коэффициент усиления

УРЧ? Как устранить влияние неравномерности его характеристики на работу

9. В чем достоинства каскодного УРЧ?

Начертите

полосовых

усилителей

радиочастоты,

назначения всех элементов.

11. Каковы зависимости основных характеристик полосового усилителя

высокой частоты от числа каскадов?

12. Почему в активных фильтрах возможно подавление помех приему без

использования индуктивных компонентов?

13. Каковы особенности работы RС-фильтров на высоких частотах?

14. Сравните между собой различные виды полосовых усилителей высокой

частоты с высокоэффективными избирательными цепями.

характеристики

приборов

"отрицательным" сопротивлением?

16. Сравните особенности УРЧ различных диапазонов волн.

усилителя.

качестве

делителя

сумматора

использоваться различные устройства, например шлейфные мосты (рис. 3.14)

балансного

усилителя

характерно

усиление,

различие

согласования

мощности

динамический диапазон, однако его использование требует принятия мер по

обеспечению идентичности плеч усилителя.

Потребляемый ток - 46 мА. Напряжение в цепи смещения V bjas определяет уровень выходной мощности (коэффициент передачи) усилителя

Рис.33.11. Внутреннее строение и цоколевка микросхем TSH690, TSH691

Рис. 33.12. Типовая включения микросхем TSH690, TSH691 в качестве усилителя в полосе частот 300- 7000 МГц

и может регулироваться в пределах 0-5,5 (6,0) В. Коэффициент передачи микросхемы TSH690 (TSH691) при напряжении смещения V bias =2,7 В и сопротивлении нагрузки 50 Ом в полосе частот до 450 МГц составляет 23(43) дБ, до 900(950) МГц - 17(23) дБ.

Практическая включения микросхем TSH690, TSH691 приведена на рис. 33.12. Рекомендуемые номиналы элементов: С1=С5=100- 1000 пФ; С2=С4=1000 пФ; С3=0,01 мкФ; L1 150 нГн; L2 56 нГн для частот не свыше 450 МГц и 10 нГн для частот до 900 МГц. Резистором R1 можно регулировать уровень выходной мощности (можно использовать для системы автоматической регулировки выходной мощности).

Широкополосный INA50311 (рис. 33.13), производимый фирмой Hewlett Packard, предназначен для использования в аппаратуре подвижной связи, а также в бытовой радиоэлектронной аппаратуре, например, в качестве антенного усилителя или усилителя радиочастоты. Рабочий диапазон усилителя 50-2500 МГц. Напряжение питания - 5 В при потребляемом токе до 17 мА. Усредненный коэффициент усиления

Рис. 33.13. внутреннего строения микросхемы ΙΝΑ50311

10 дБ. Максимальная мощность сигнала, подводимого к входу на частоте 900 МГц, не более 10 мВт. Коэффициент шума 3,4 дБ.

Типовая включения микросхемы ΙΝΑ50311 при питании от стабилизатора напряжения 78LO05 приведена на рис. 33.14.

Рис. 33.14. широкополосного усилителя на микросхеме INA50311

Шустов М. А., Схемотехника. 500 устройств на аналоговых микросхемах. - СПб.: Наука и Техника, 2013. -352 с.

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...

Поделитесь работой в социальных сетях

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.

Другие похожие работы, которые могут вас заинтересовать.вшм>
6657.		УСИЛИТЕЛИ И ГЕНЕРАТОРЫ НА ТРАНЗИСТОРАХ	44.93 KB
	Усилители электрического сигнала представляют собой устройства для его усиления по напряжению току или мощности за счет преобразования энергии источника питания в энергию выходного сигнала. усилители имеют входную цепь к которой подключается источник усиливаемого сигнала выходную цепь к которой подключается нагрузка потребитель усиленного сигнала а также цепь питания к которой подключается источник за счет энергии которого происходит усиление сигнала. Характер усиливаемого сигнала определяется его источником....
11950.		Висмутовые волоконные лазеры и усилители на двулучепреломляющих световодах с поляризованным выходным излучением для систем телекоммуникаций	152.45 KB
	Краткое описание разработки. Преимущества разработки и сравнение с зарубежными аналогами. Основное преимущество разработки в получении новых длин волн генерации в активных волоконных световодах. Форма внедрения разработки.