6. Усилители промежуточной частоты

6.1. Общие сведения

Усилители промежуточной частоты (УПЧ) применяются в супергетеродинных приемниках для усиления принимаемого сигнала до величины, обеспечивающей нормальную работу детектора. Кроме того, они обеспечивают высокую избирательность по соседнему канала приема при допустимом уровне частотных искажений.

По величине относительной ширины полосы пропускания их подразделяют на узкополосные (ширина полосы около 1%) и широкополосные.

По характеру распределения избирательности в каскадах различают УПЧ с распределенной и сосредоточенной избирательностью.

В УПЧ с распределенной избирательностью функции усиления и избирательности обеспечивают в каждом каскаде. При этом резонансные контуры, создающие требуемую избирательность, одновременно являются нагрузками усилительных каскадов и определяют также усиление тракта.

Равномерное распределение избирательности вдоль тракта приводит к тому, что каждый каскад имеет в среднем невысокую избирательность и подвержен влиянию помех и нестабильностей параметров усилительных элементов. Это является существенным недостатком данного метода схемного построения УПЧ.

В усилителях с сосредоточенной избирательностью необходимая избирательность обычно создается фильтром, включенным между преобразователем и УПЧ, если преобразователь транзисторный, или фильтром, включенным после первого каскада УПЧ, если в преобразователе частоты использован диодный смеситель. Вся необходимая избирательность в данном случае сосредоточена в фильтре, называемом фильтром с сосредоточенной избирательностью (ФСИ) или фильтром с сосредоточенной селекцией (ФСС). Фильтрация близкорасположенных помех или радиостанций (избирательность по соседнему каналу) здесь обеспечивается фильтром ФСИ (ФСС).

Требуемое усиление УПЧ дают широкополосные апериодические каскады усилителей, расположенные после фильтра. При данном способе конструирования УПЧ имеется возможность раздельно влиять на усиление и избирательность тракта, что улучшает его технологичность.

Проектирование УПЧ с распределенной избирательностью широко освещено в литературе, например в [1].

В данном учебном пособии рассмотрено проектирование УПЧ с ФСС.

В качестве ФСС применяются следующие фильтры:

• индуктивно-емкостные фильтры (LC - фильтры);

• пьезоэлектрические фильтры;

• фильтры на поверхностных акустических волнах (фильтры ПАВ);

• монолитные пьезоэлектрические фильтры (МПФ);

• электромеханические (магнитострикционные) фильтры.

6.2. Расчет усилителей промежуточной частоты с сосредоточенной избирательностью

Функциональная схема УПЧ одночастотного приемника или диапазонного радиоприемника перестраиваемого фильтрами преселектора (настройка УПЧ фиксирована) приведена на рис. 1.10.

Коэффициент усиления УПЧ определяется формулой (1.35). После определения количества широкополосных каскадов усилителя (1.36) структура УПЧ окончательно определена, можно приступать к выбору схемы и электрическому расчету каждого каскада.

При проектировании функциональной схемы многоканального приемника с частотным разделением сигналов (рис. 1.12) целесообразно УПЧ разбить на две части широкополосную и узкополосную. Тогда коэффициент усиления УПЧ, найденный по формуле (1.34), может быть представлен в виде:

,

(6.1)

где - коэффициент усиления широкополосного УПЧ;

- коэффициент передачи частотно-разделительного устройства (ЧРУ);

- коэффициент усиления узкополосного УПЧ.

Коэффициент передачи частотно-разделительного устройства зависит от выбранного типа ЧРУ. Для пассивных ЧРУ (на основе колебательных контуров) коэффициент передачи не более, где- количество частотных каналов. Для ЧРУ, синтезированных на основе активных элементов (транзисторов, микросхем),.

При распределении усиления между широкополосной и узкополосной частью УПЧ экономически целесообразнее отдать предпочтение широкополосной части, т.е. принять .

Таким образом, выбрав тип ЧРУ и определив его коэффициент передачи , необходимо задаться коэффициентом усиления узкополосной части УПЧ.

Коэффициент усиления широкополосной части УПЧ находится по формуле:

(6.2)

ФСС широкополосного УПЧ должен быть настроен на центральную промежуточную частоту , иметь широкую полосу пропускания П, чтобы пропустить все частоты связи, а также обеспечить избирательность по соседнему каналу. Если относительная полоса пропускания УПЧ достаточно широкая, т.е., целесообразно применить ФСС с индуктивно-емкостными (LC) элементами.

При любой схеме построения преобразователя частоты приемника на выходе смесителя должен быть избирательный элемент: слабоизбирательный контур, настроенный на промежуточную частоту, если смеситель диодный, и ФСС, если смеситель транзисторный. Эти элементы конструктивно располагаются в составе УПЧ.

Коэффициент усиления широкополосного УПЧ равен:

,

(6.3)

где - коэффициент усиления каскада с широкополосным ФСС;

- коэффициент усиления широкополосного каскада;

- количество широкополосных каскадов.

Задавшись коэффициентом усиления каскада с ФСС , коэффициентом усиления, находим число широкополосных (апериодических) каскадов:

(6.4)

Величина “” округляется до ближайшего целого числа.

Функциональная схема широкополосного УПЧ вместе с ЧРУ представлена на рис.6.1.

Рис. 6.1. Функциональная схема широкополосного УПЧ с ЧРУ.

Если динамический диапазон входных сигналов большой, перед ЧРУ часто ставится амплитудный ограничитель, а УПЧ охватывается петлей АРУ. В узкополосном УПЧ происходит выделение (фильтрация) сигнала соответствующей частоты и усиление его до величины, при которой детектор будет работать в линейном режиме (для диодного детектора линейный режим работы наступает при).

Таким образом, узкополосный УПЧ должен содержать узкополосный фильтр сосредоточенной избирательности ФСС_i, настроенный на промежуточную частоту соответствующегоi–го () частотного канала, с рассчитанной полосой пропускания П. Фильтр должен обеспечивать требующуюся развязку между соседнимииканалами приема. Если относительная полоса пропускания фильтра, т.е., а частотные каналы расположены близко друг к другу и развязка между ними требуется высокая, то необходимо применять фильтры с хорошей прямоугольностью АЧХ, например пьезоэлектрические, пьезомеханические или монолитные кварцевые фильтры. Всего приемник должен содержать “” каналов приема с узкополосными УПЧ (рис. 1.12). Узкополосный УПЧ кроме высокоизбирательного ФСС_i должен содержать широкополосные усилители, количество которых “” находится по формуле

,

(6.5)

где - коэффициент передачи узкополосного ФСИ (находится при расчете ФСИ. Обычно).

Таким образом, функциональная схема узкополосного УПЧ может быть представлена в виде:

Рис. 6.2. Функциональная схема узкополосного УПЧ.

В соответствии с соотношением (1.27) коэффициент шума многоканального усилителя определяется первым каскадом, поэтому первый каскад УПЧ должен быть малошумящим. Низкий коэффициент шума каскада достигается благодаря использованию малошумящего транзистора или малошумящей микросхемы, подбору режима работы и соответствующим согласованием выхода смесителя со входом первого усилителя.

При любой схеме построения преобразователя частоты приемника на выходе смесителя должен быть избирательный элемент, настроенный на промежуточную частоту, а именно: слабоизбирательный контур, если смеситель диодный и ФСИ, если смеситель транзисторный.

Слабоизбирательный контур с автотрансформаторным подключением к выходу смесителя и входу первого каскада УПЧ показан на рис. 6.3.

Рис. 6.3. Слабоизбирательный колебательный контур на выходе смесителя.

Режиму согласования соответствуют коэффициенты связи

; ,

(6.6)

где - выходное сопротивление смесителя;

- входное сопротивление первого усилителя.

В диапазоне СВЧ в смесителях используются линии передачи с волновым сопротивлением , поэтому можно считать.

Коэффициент усиления каскада, нагруженного на ФСС, рассчитывают по формуле [1]:

,

(6.7)

где и- коэффициенты трансформации согласующих трансформаторовина входе и выходе ФСИ соответственно (рис 6.4);

- крутизна усилительного элемента (УЭ) (транзистора, микросхемы);

- характеристическое сопротивление фильтра;

- коэффициент передачи фильтра.

Рис. 6.4. Структурная схема каскада с ФСС.

При условии согласования коэффициенты трансформации вычисляются по формулам:

;

(6.8)

Тогда коэффициент усиления каскада равен [3.4]:

,

(6.9)

где - выходная проводимость УЭ;

- входная проводимость следующего каскада.

Если ФСС является нагрузкой преобразователя частоты, то в выражении (6.8) и (6.9) вместо подставляют, а вместоподставляют.

При индуктивной связи ФСС с коллекторной и базовой цепью рассчитывают индуктивности катушек связи:

(6.10)

При автотрансформаторной связи:

,

(6.11)

где - индуктивности контуров крайних звеньев ФСС.

Коэффициентом связи задаются в пределах.

Тип ФСС выбирают из таблицы 6.1 исходя из необходимости средней частоты настройки фильтра, относительной полосы пропускания фильтра, габаритов, температуры и т.д.

Таблица 6.1

Тип ФСИ	Средняя частота настройки фильтра, , МГц	Относительная полоса пропускания фильтра,	Относительные габариты
LC- фильтры	0,01÷250	1÷50	большие
Пьезоэлектрические фильтры	0,01÷100	0,1÷2	большие
Фильтры на ПАВ	10÷2000	1÷50	изготавливаются в корпусах ИМС
Монолитные пьезоэлектрические фильтры:			изготавливаются в корпусах ИМС
- кварцевые	2÷100	0,05÷0,3
- танталатолитиевые	2÷200	0,05÷6
Электромеханические фильтры	0,01÷0,5	0,1÷2	большие

Пример 6.1. Требуется рассчитать усилительный каскад с ФСС.

Исходные данные: промежуточная частота f_п = 100 МГц; полоса пропускания П = 20 МГц; избирательность по соседнему каналу S_ск= 30 дБ; частота соседнего канала f_ск= 130 МГц; смеситель приемника – диодный; на выходе смесителя использована МПЛ с волновым сопротивлением Z₀ =50Ом.

1. В качестве усилительного элемента используем малошумящий транзистор ГТ 313А в схеме с общим эмиттером, имеющего на частоте 100 МГц следующие параметры [1]:

g₁₁ = 12,6 мСм; g₂₁ = 3,9 мСм; g₂₂ = 1,22 мСм; g₁₂ = 0,2 мСм;

С₁₁ = 17,6 пФ; С₂₁ = 89 пФ; С₂₂ = 3 пФ; С₁₂ = 0,6 пФ;

Граничная частота f_гр = 450÷1000 МГц.

2. Избирательный каскад расположим в начале УПЧ.

На входе каскада применим слабоизбирательный контур с автотрансформаторным подключением к выходу смесителя и входу усилителя, представленного на рис. 6.3.

Коэффициенты связи, соответствующие режиму согласования, выберем в виде:

m₂ = 1

Задаемся емкостью контура С_к = 20 пФ.

Индуктивность контура находим по формуле:

Емкость дополнительного конденсатора

С₀ = С_к – С₁₁ = 2,4 пФ

Схема построения каскада приведена на рис. 6.4.

3. Считая, что вторым каскадом УПЧ является широкополосный усилитель также на транзисторе ГТ313А, коэффициент усиления каскада с ФСС при условии согласования (6.8) определим по формуле (6.9):

,

где

К_ф – коэффициент передачи ФСС.

Применим в качестве ФСС - фильтр на ПАВ с К_ф = 0,5.

Проверяем на устойчивость:

Условие устойчивости К_фсс ≤ К_{0 уст} выполняется.

4. Рассчитаем согласующие трансформаторы Т₁ и Т₂ на входе и выходе фильтра рис. 6.4.

Индуктивность L₁ и L₂ трансформаторов найдем из условия компенсации емкостей преобразователей ВШП – 1 и ВШП – 2 (фильтр ПАВ).

где С_п1 = 0,17 пФ – емкость входного преобразователя ВШП – 1;

С_п2 = 0,5 пФ – емкость выходного преобразователя ВШП – 2.

Коэффициенты трансформации m₁ и m₂ определяем по формулам (6.8).

где R_вх и R_вых – входные и выходные сопротивления фильтра ПАВ.

Индуктивность L_св трансформаторов Т₁ и Т₂ находим по формуле (6.10).

5. Методика расчета цепей питания и смещения по постоянному току приведена в п.3.4.

6. Принципиальная электрическая схема каскада дана на рис. 6.5.

Рис. 6.5. Принципиальная электрическая схема усилительного каскада с ФСС.