5 Усилители промежуточной частоты

Усилители промежуточной частоты (УПЧ)

УПЧ предназначены для усиления входного сигнала (сигнала промежуточной частоты) до величины, обеспечивающий нормальную работу детектора и создания необходимой избирательности приёмника по соседнему каналу. Как и в других типах усилителей, частотные искажения сигналов, вносимые усилителем не должны превышать допустимых пределов. С этой точки зрения идеальным является каскад с прямоугольной АЧХ, что реально не представляется возможным. Применение в качестве нагрузки специальных полосовых фильтров позволяет приблизить АЧХ к прямоугольной форме. В зависимости от назначения приёмника полосовые усилители (УПЧ) могут иметь полосу пропускания от сотен Гц до десятков МГц с коэффициентом усиления (80-120)дб или 10-10.

Основными показателями при оценке УПЧ являются:

• Коэффициент усиления Ко, определяемый на средней частоте полосы пропускания.

• Избирательность. В УПЧ она может характеризоваться как значениями полосы пропускания и ослабления с/о при заданной расстройке fс, так и коэффициент прямоугольности резонансной кривой Кnd. Как правило, этот коэффициент определяется на уровне d=10.

• Коэффициент шума. Для УПЧ требования минимального коэффициента шума особенно важно в приемниках СВЧ диапазона с диодным смесителем, т.к. шумовые свойства УПЧ во многом определяют уровень шумов приемника и определяют чувствительность.

• Степень искажения сигнала.

• Устойчивость и надежность работы. Это не только отсутствие склонности к самовозбуждению, но и стабильность формы резонансной характеристики в процессе эксплуатации.

• Мощность, потребляемая от источника питания.

• Простота схемы и конструкции. УПЧ, у которых отношение полосы пропускания к промежуточной частоте меньше 0,1 принято считать узкополосным, в отличие от широкополосного, когда это отношение больше 0,1.

Практически находит применение большое разнообразие схем УПЧ, среди которых усилители с нагрузкой в виде связанных контуров. УПЧ с нагрузкой в виде фильтров сосредоточенной селекцией, которые применяются в приёмниках с относительно узкой полосой пропускания и малым числом каскадов. В качестве фильтра используется цепочка из нескольких одинаково настроенных контуров с равными параметрами связи между ними. Для повышения избирательности усилителей интерес представляют электромехенические фильтры сосредоточенной селекции, в которых вместо контуров используются системы связанных механических резонаторов. Упрощенная схема такого фильтра включает преобразователь электрических колебаний в механические, механические резонаторы и обратный преобразователь. Отличительной особенностью механических колебательных систем, является их высокая добротность. В зависимости от материала Q=2х10 до 10х10 , что позволяет создать фильтры с коэффициентом прямоугольности резонансной кривой близкой к 1 и относительной полосой пропускания порядка 0,1%.

Для получения полос пропускания в пределах сотен Гц применяются УПЧ с нагрузкой в виде кварцевых фильтров. Однако он может обеспечить избирательность по соседнему каналу. Резонансная характеристика такого фильтра в первом приближении соответствует характеристике одиночного контура высоким коэффициентом прямоугольности.

ПР2

U_пр U_пр

При необходимости получения достаточно большого усиления сигнала ПЧ используют широкополосные усилители, к которым относятся:

• Усилитель с парами симметрично расстроенных одноконтурных каскадов. В каждой паре каскадов один из контуров настраивается на частоту ниже промежуточной fпр, а другой на частоту выше промежуточной fпр. Резонансная кривая пары расстроенных контуров определяется произведением резонансных кривых с учётом их расстройки относительно средней частоты.

• Усилитель с одноконтурными каскадами, настроенными на три частоты. Три соединенных каскада настраиваются следующим образом.

• Один настроен на среднюю частоту полосы пропускания усилителя fпр, два других образуют симметрично расстроенную пару.

При сравнительной оценке различных схем УПЧ можно сделать следующий вывод:

простейшими УПЧ по конструкции и по обеспечению настройки являются резонансные усилители. Но эти схемы обладают весьма низкой избирательностью и малым предельным значением произведения коэффициента усиления на полосу пропускания.

С точки зрения избирательности предпочтительнее каскады с фильтром сосредоточенной селекции, но это в свою очередь связано с необходимостью существенного увеличения добротности контуров.

В случае, когда основной задачей усилителя является обеспечение высокого коэффициента усиления, а требования по избирательности сравнительно невелики, целесообразно применять схемы с расстроенными тройками и двойками каскадов.

Высокая избирательность при малом числе каскадов может быть обеспечена при использовании фильтров сосредоточенной селекции или системы двух связанных контуров.

Если к усилению предъявляются жесткие требования по линейности и стабильности фазовых характеристик целесообразно применять резонансный усилитель.

Аналогичный УВЧ с фиксированной настройкой. Для построения одноконтурных УПЧ широко применяются интегральные схемы.

9+6:9В

УПЧ с фильтром сосредоточенной селекции (ФСС) на LC элементах. Ряд контуров связан между собой индуктивной или ёмкостной связью. Связь со следующим каскадом может быть трансформаторной или автотрансформаторной. Степень связи с ФСС выбирается исходя из согласования Rвх следующего каскада.

ФСС на основе электромеханических фильтров преобразуются электрические колебания в механические и, наоборот, с помощью магнитострикционных электромеханических преобразователей. Преобразователь состоит из катушки индуктивности с магнитострикционным стержнем. При прохождении потока через катушку, при наличии постоянного магнитного поля, в стержне возникают продольные механические колебания, передаваемые в механические резонаторы (шайбы с упругими связями). Второй преобразователь,

аналогичный первому, преобразует механические колебания в электрические сигналы.

Разновидностью ФСС являются кварцевые фильтры и как их разновидность монолитные КФ (решетка из электродов попарно осажденных на поверхности кварцевой подложки). Эти пары действуют как резонаторы, а участки между ними – как элементы связи.

Фильтры на поверхностных акустических волнах, пьезокерамические фильтры. Последние аналогичные КФ решетки наносится на поверхность пьезокерамической подложки.

Детекторы сигналов

Детектирование- это процесс преобразования модулированных электрических колебаний высокой частоты в напряжении или ток, изменяющийся по закону модуляции. Таким образом, детектирование – процесс обратный модуляции, так как в детекторе происходит выделение полезного сообщения и устранение несущего высокочастотного колебания. В соответствии с видом модуляции, детектируемые сигналы можно разделить на три группы:

1. Непрерывные гармонические сигналы, в которых передаваемое сообщение заложено в изменение амплитуды, частоты или фазы. В этом случае детектирование осуществляется амплитудными, частотными или фазовыми детекторами.

2. Импульсные сигналы, в которых информация передается за счет модуляции пикового напряжения, частоты, длительности импульса, времени начала импульса и т.д. При этом виде сигналов применяют детекторы радиоимпульсов.

3. Видеоимпульсы, соответственно используются в детекторы видеоимпульсов.

В независимости от вида детектируемого сигнала, спектр, входного колебания детектора лежит в низкочастотной области, в отличие от спектра Uвх. Такая трансформация спектра возможна в устройствах с нелинейным или параметрическим элементом. Обычно в качестве таких элементов используются полупроводниковые диоды, реже биполярные транзисторы или полевые транзисторы. Выделение низких частот модуляции и устранение высокочастотных составляющих спектра, осуществляется фильтрами низких частот (RC или RLC). Основным показателем работы детектора является его детекторная характеристика, представляющая собой статическую зависимость выходного напряжения от информационного параметра входного сигнала. Процесс детектирования неизбежно связан с частотными, фазовыми и нелинейными искажениями, которые характеризуются соответственно амплитудно-частотной, фазово-частотной характеристиками и линейностью детекторной

характеристики.

Кроме перечисленных характеристик, работу детектора определяют ряд параметров:

• Коэффициент передачи детектора – это отношение амплитуды переменного напряжения на выходе детектора к амплитуде огибающей входного модулированного напряжения. Кд=, где m – коэффициент модуляции.

• Искажение полезного сигнала. Степень частотных искажений детектора определяется формой его частотной характеристики. Которая представляет собой зависимость коэффициента передачи детектора от частоты модуляции входного сигнала. При постоянной несущей частоте и постоянном коэффициенте модуляции.

• Степень нелинейных искажений оценивается коэффициентом гармоник. Степень фазовых искажений определяется линейностью фазово-частотной характеристики, которая определяет зависимость фазового

сдвига выходного напряжения по отношению к огибающей входного сигнала от частоты модуляции.

• Входное сопротивление, которое носит комплексный характер Zвх=, и определяется как отношение амплитуды высокочастотного напряжения к первой гармоники входного тока. Активная составляющая этого сопротивления шунтирует выходной контур предыдущего каскада, влияя на его избирательные и усилительные свойства, а реактивная расстраивает контур этого каскада.

• Коэффициент фильтрации высокочастотного напряжения Кф=. прохождение этого напряжения на вход следующего каскада может привести к самовозбуждению приёмника за счет паразитной обратной связи с каскадами усиления промежуточной частоты через общий источник питания.

В любой реальной схеме детектора, качественные показатели зависят от амплитуды входного сигнала, и в этой связи существует её оптимальное значение, которое надо учитывать при проектировании. В этой связи основным видом детектора следует считать амплитудный, который имеет не только самостоятельное значение как детектор АМ – сигналов, но и входит в состав других детекторов.

Детектирование амплитудно-модулированных сигналов.

Этот процесс может осуществляться как с помощью нелинейных элементов, так и с помощью линейных с переменными параметрами (синхронное детектирование). Детектор на основе нелинейного элемента может быть представлен в виде нелинейного четырехполюстника с нагрузкой.

Детектируемое напряжение Uвх=Umо(1+mcost)cost. При отсутствии нелинейных искажений в детекторе на его выходе будет Uвых=Umcost. Таким образом, в результате детектирования происходит перенос спектра полезного сигнала в низкочастотную область.

Предположим, что нелинейный элемент детектора обладает следующий ВАХ.

При воздействии на вход детектора амплетудно-моделированных колебаний, его выходной ток представляет собой высокочастотные импульсы с огибающей. Спектр входного тока включает в себя составляющие несущей частоты и её гармоники, постоянную составляющую и

составляющие частоты модуляции. Усредненное по периоду высокой частоты, значение тока нелинейного элемента изменяется по закону модуляции. Значит для выделения сигнала, изменяющегося по закону передаваемого сообщения достаточно провести усреднение выходного тока, или напряжения.

Процесс усреднения входного напряжения детектора, осуществляется с помощью нагрузки в виде RC цепочки. Постоянная времени этой цепочки выбирается из условия ТоRCТ, где То- период модулируемого высокого напряжения, Т- период модулирующего низкого напряжения. Выполнение этого неравенства делает этот детектор безинерционным, а значит, и обеспечивать минимум искажений огибающей.

В зависимости от включения нелинейного элемента относительно нагрузки схемы детекторов подразделяются на последовательные и параллельные. Рассмотрим принцип работы детектора на примере последовательной схемы.

Временная трактовка принципа работы детектора заключается в следующем. На вход детектора подается гармоническое напряжение с медленно меняющейся амплитудой. Uвх=U_с cosсT.

При положительной фазе напряжения диод открывается и конденсатор нагрузки начинает заряжаться. Постоянная времени заряда Сн определяется ёмкостью конденсатора и малым внутренним сопротивлением диода з=СнRi . По мере заряда конденсатора напряжение на выходе растет и в момент t, диод заряжается, так как Uвых Uвх и конденсатор начинает разряжаться через резистор нагрузки. Постоянная времени разрядар=СнRн значительно больше постоянной времени заряда рз, так как Rн Riд, и разряд происходит медленнее. В момент времени t₂ диод вновь открывается и конденсатор начинает подзаряжаться. В результате серии зарядов и разрядов на выходе детектора создается продетектированное напряжение Uвых, пульсирующее с частотой сигнала. Однако с учетом того, что р значительно больше периода высокочастотного сигнала уровень пульсаций Uвых мал.

В связи с шунтированием детектором источника входного сигнала существенное значение имеет входное сопротивление детектора. Под Rвх следует понимать такое эквивалентное сопротивление, которое, будучи подключенное к источнику сигнала, потребляет ту же мощность, что и детектор. Ток диода представляется суммой прямой и обратной составляющей, он описывается периодической функцией и его можно разложить в ряд Фурье.

iд=Iдо+Im1cost+Im2cos2t

Мощность, потребляемая от источника сигнала, детектором определяется составляющей тока и его первой гармоникой.

Рн=

В этом случае Rвх=Uвх/Im² и при отсутствии начального смещения Rвх=0,5Rн. Зависимость Rвх от Rн обусловлена тем, что источник сигнала шунтируется самим диодом, который открыт часть периода напряжения сигнала. С ростом Rн возрастает падение напряжения на нем, уменьшая угол отсечки и время открытого состояния диода, что приводит к увеличению Rвх и к уменьшению тем самым шунтирования.

Параллельный диодный детектор.

Принцип работы параллельного детектора аналогичен последовательному, однако, при определении Rвх необходимо учитывать, что первая гармоника входного тока в данной схеме протекает как через диод, так и через резистор нагрузки Rн. В этом случае Rвх параллельного

детектора будет меньше, чем у последовательного Rвх пар, что определяет его большее шунтирование сигнала. Помимо продетектированного напряжения на выходе детектора может быть переменное напряжение с частотой сигнала. Для выделения полезного сигнала в этом случае ставиться фильтр.

Параллельное детектирование целесообразно использовать в тех случаях, когда на входе кроме полезного сигнала имеется постоянное напряжение (коллекторное питание предыдущего каскада).

Реальная характеристика диода, а значит и характеристика детектора отлична от прямолинейной, особенно на начальном её участке. Если минимальное напряжение сигнала на входе детектора меньше напряжения, определяющего нелинейный участок характеристики, то коэфициент передачи детектора будет зависеть от значения Uвх. При этом форма продетектированного сигнала будет отличаться от формы огибающей входного сигнала. Искажений из-за нелинейности ВАХ диода будут незначительны, если

Uвх мин=Uн(1-m)Uнел., т.е. Uн

Ранее было отмечено, что выходное напряжение детектора создаётся в результате серии зарядов и разрядов конденсатора нагрузки Сн. Однако, при большом значении р=СнRн, напряжение на Сн в интервале между двумя колебаниями высокочастотного напряжения изменяется медлено чем амплитуда Uвх. Это приводит к дополнительным не линейным искажениям. Для уменьшения этих искажений необходимо выполнить условие

р

т.е. постоянная времени разряда должно быть тем меньше, чем больше высшая частота модуляции F и коэфициент модуляции m.

Если fнF или н, то при правильно выбранной величине р., выходное напряжение детектора повторяет огибающую Uвх.

Детектор амплитудно-модулированного сигнала связан с последовательным каскадом (усилителем напряжения) разделительной цепью СрRвх., которая устраняет постоянную

составляющую Uвых детектора. Постоянная времени разделительной цепи р=СрRвх достаточно велика и больше периода модулирующего колебания Т.Разделительный конденсатор заряжается до напряжения Uдо и тем самым становиться источником постоянного напряжения. При уменьшении Uвх за счет модуляции до Uвх мин, напряжение на Rн не уменьшается до этой величины, т.к. практически образует внешнее напряжение смещения не позволяющее уменьшиться напряжению и искажающее тем самым выходное напряжение детектора.

Uсм=

В этом случае необходимо, чтобы Uвх минUдо или Uн(1-m), или

(1-m).

С учетом того, что Rн и m задаются, для уменьшения влияния этой цепочки, надо выбирать значение Rвх.

Rвх=mRн/(Rн+Rвх)

Возможно использование схемы с разделительной нагрузкой, когда Rн=Rн1+Rн2

Напряжение смещения создается на резисторе Rн2 за счет разряда разделительного конденсатора Ср, но величина его будет меньше. Однако деление нагрузки приведет к уменьшению коэффициента передачи детектора, т.е. продетектированное напряжение снимается с части нагрузки. Так как конденсатор фильтрации Cн состоит из двух частей Cн1 и Cн2 улучшается фильтрация промежуточной частоты.