95

БАЛТИЙСКИЙ ВОЕННО-МОРСКОЙ ИНСТИТУТ

им. АДМИРАЛА Ф.Ф. УШАКОВА

В.В.ПЯТНИЦКИЙ, В.М.КОМИССАРОВ

СХЕМОТЕХНИКА УСТРОЙСТВ

СРЕДСТВ СВЯЗИ

СБОРНИК ОПОРНЫХ КОНСПЕКТОВ ЛЕКЦИЙ

ПО РАЗДЕЛУ №2 ДИСЦИПЛИНЫ

«ОСНОВЫ СХЕМОТЕХНИКИ»)

Рекомендовано УМО по образованию в области телекоммуникации в качестве учебного пособия для студентов (курсантов), обучающихся по специальности 201200 «Средства связи с подвижными объектами»

Калининград

2007

УДК

В учебном пособии рассматриваются принципы усиления электрических сигналов различными типами электронных усилителей, используемых в средствах связи, а также их принципиальные, эквивалентные схемы, параметры и характеристики, изложены основы построения типовых принципиальных схем усилителей. Материал пособия соответствует содержанию 2-го раздела тематического плана дисциплины ОСТ.

Сборник опорных конспектов лекций по разделу 2 «Схемотехника устройств средств связи» дисциплины «Основы схемотехники» предназначен для работы в период проведения учебных занятий по основному расписанию и для самостоятельной работы курсантов 2-го курса факультета радиосвязи и АСУС. Пособие содержит минимум знаний, изучаемых в разделе 2 данной дисциплины. Опорный конспект лекции имеет структуру лекционного занятия, содержит формулировки учебных вопросов, определения и пояснения с использованием наглядного дидактического и справочного материала.

Цель учебного пособия:

− помощь курсантам в систематизации учебного материала на лекционных занятиях,

− определение направления работы с основной и дополнительной литературой в период самостоятельной работы,

− оптимизация подготовки к текущим и итоговым видам контроля.

Сборник опорных конспектов лекций обсужден и одобрен на заседании кафедры средств связи в качестве учебного пособия для курсантов факультета радиосвязи и АСУС Балтийского ВМИ им. адмирала Ф.Ф. Ушакова.

Пособие разработано доцентом кафедры средств связи кандидатом технических наук, доцентом Пятницким Владимиром Васильевичем и старшим преподавателем кафедры средств связи доцентом Комиссаровым Вячеславом Михайловичем.

ЛЕКЦИЯ №15

УСИЛИТЕЛИ РАДИОЧАСТОТЫ (УРЧ)

Рассмотренные в первом разделе усилители и другие устройства нашли широкое применение в технике связи. В разделе 2 дисциплины «Основы схемотехники» будут изучены усилители профессиональных радиоприемников ВМФ. Основной схемой радиоприемников является схема супергетеродина, которая обладает существенными преимуществами перед другими схемами.

ВОПРОС №1

Схемотехника устройств приема и обработки сигналов

Определение. Радиоприемник – устройство, соединяемое с антенной и служащее для осуществления радиоприема (Рис.15.1).

АФУ

в/ч н/ч

РПК ОСС

Рис. 15.1. Общая схема радиоприемника

АФУ улавливает энергию от электромагнитных волн, преобразует ее в энергию высокочастотных колебаний и подводит их к входу радиоприемника. Вместе с полезным сигналом в этих высокочастотных колебаниях присутствует и радиопомеха.

Радиоприемник выделяет из высокочастотных колебаний полезный сигнал и преобразует его к виду, необходимому для нормальной работы ОСС.

ОСС (оконечные средства связи), используя энергию полезного сигнала, преобразует низкочастотный сигнал в удобный для восприятия вид (звук, печатный текст, графика). ОСС – головные телефоны, телеграфный аппарат.

Перед определением функций радиоприемника (РПК) необходимо рассмотреть условия приема сигналов:

1. На вход РПК от АФУ вместе с полезным сигналом поступают и помехи.

Задача РПК ­– это выделение полезного радиосигнала из совокупности помех. Такое выделение называется избирательностью.

2. Полезный сигнал представляет собой модулированное колебание. Чтобы получить первичное низкочастотное сообщение, необходимо произвести преобразование радиосигнала – детектирование.

3. Полезный радиосигнал, как правило, очень слабый. Для детектирования и надежной работы ОСС необходимо усилить принятый сигнал.

Отсюда вытекают три основные функции РПК:

1) избирательность,

2) детектирование (функция рассматривается в курсе дисциплины УПОРС в СПР),

3) усиление.

Наиболее широкое применение нашли РПК, построенные по схеме супергетеродина, так как они обладают наилучшими характеристиками.

Определение. Супергетеродинным радиоприемником называют радиоприемник, в котором осуществляется преобразование частоты радиочастотного сигнала (рис.15.2.).

ВЦ УРЧ СМ ПФ УПЧ Д УЗЧ ОСС

f_С f_С f_С f_{ПЧ н/ч}

f_Г

Г

ПЧ

настройка частоты

Рис. 15.2. Структурная схема супергетеродинного радиоприемника

Данная схема имеет одно преобразование частоты, но существуют схемы, где есть два и более преобразований частоты. Наиболее часто применяемой схемой является схема с двумя преобразованиями (подробнее такие схемы будут рассмотрены в курсе УПОРС в СПР).

Схема супергетеродинного РПК была предложена в 1918 году независимо друг от друга несколькими учеными: Армстронгом в США, Леви во Франции и Раундом в Англии. Первые супергетеродинные РПК (в просторечии – супергетеродины) не имели видимых преимуществ по сравнению с другими схемами приемников из-за низкого качества ламп. Совершенствование ламповой техники обеспечило, начиная с 1931−32 гг., широкое распространение супергетеродинов.

Идея супергетеродина заключается в переходе от высокой и переменной частоты сигнала f_С к низкой и постоянной промежуточной частоте f_ПЧ.

Состав супергетеродинного радиоприемника:

Входная цепь (ВЦ) – простейшая входная цепь, одиночный КК, настраиваемый на частоту принимаемого сигнала f_С.

Усилитель радиочастоты (УРЧ) усиливает сигнал до величины, необходимой для нормальной работы смесителя. УРЧ имеет избирательную систему, настраиваемую на частоту f_С. Входная цепь и УРЧ образуют преселектор.

Преобразователь частоты (ПЧ) осуществляет преобразование частоты и включает гетеродин, смеситель, полосовой фильтр. ПЧ – преобразует радиосигнал с частотой f_С в сигнал с частотой f_ПЧ (рис.15.3). При этом происходит линейный перенос сигнала из одной части спектра в другую, без изменения структуры сигнала.

f_ПЧ f_С

Рис.15.3. Преобразование частоты радиосигнала

При этом номинал f_ПЧ =const и определяется по следующему правилу (закону):

− f_ПЧ = f_Г – f_С, когда f_Г > f_С (верхняя настройка гетеродина);

− f_ПЧ = f_С – f_Г, когда f_С > f_Г (нижняя настройка гетеродина).

Смеситель – электрическая цепь, создающая спектр комбинационных частот при подаче на нее двух и более сигналов разной частоты.

Гетеродин – генератор ГК, используемый для преобразования частоты в радиоприемнике.

В результате взаимодействия двух сигналов частот f_Г и f_С в спектре выходного тока смесителя появляется много комбинационных частот. На выходе смесителя ставится полосовой фильтр, настроенный на f_ПЧ.

Усилитель промежуточной частоты усиливает сигналы на частоте f_ПЧ до величины, необходимой для нормальной работы детектора. УПЧ имеет фиксированную настройку на f_ПЧ .

Детектор осуществляет преобразование принятых высокочастотных колебаний в низкочастотные или в импульсы постоянного тока.

Усилитель звуковой частоты производит усиление выходного напряжения детектора до величины необходимой для нормальной работы ОСС.

УЗЧ имеет место в слуховых видах работы телефонии, АТ – в Морзе.

Достоинства супергетеродина:

1. Высокая способность улавливать очень слабые сигналы.

2. Высокая способность выделять полезный сигнал из помех.

Эти достоинства появились благодаря реализации идеи гетеродина.

Недостатки супергетеродина:

1. Относительная сложность схемы.

2. Возможность излучения колебаний гетеродина в антенну.

3. Нестабильность настройки.

4. Возможность приема по побочным каналам.

К побочным каналам приема относятся зеркальный канал приема и канал приема на промежуточной частоте.

Зеркальный канал приема – побочный канал приема, включающий зеркальную частоту. Зеркальная частота f_ЗК отличается от частоты принимаемого сигнала f_С на удвоенное значение промежуточной частоты f_ПЧ: f_ЗК=f_С ± 2f_ПЧ, где знак (+) справедлив при условии f_Г > f_С; а знак (–) при условии f_Г < f_С (рис.15.4).

2 f_ПЧ

f_ПЧ f_ПЧ

f

f_С f_Г f_ЗК

2 f_ПЧ

f_ПЧ f_ПЧ

f

f_ЗК f_Г f_С

Рис. 15.4. Расположение зеркальной частоты на оси частот

Канал приема на промежуточной частоте – это побочный канал приема, включающий промежуточную частоту. Он образуется в приемнике на частоте, равной f_ПЧ данного приемника (подробнее рассматривается в курсе дисциплины УПОРС в СПР).

Эти побочные каналы ухудшают условия приема и могут привести к потере информации. Необходимо принимать специальные меры для подавления этих каналов.

Выводы по 1-му вопросу:

1. Все профессиональные радиоприемники ВМФ выполнены по схеме супергетеродина.

2. Широкое использование супергетеродина объясняется его достоинствами:

– высокая способность улавливать очень слабые сигналы;

– высокая способность выделять полезный сигнал из помех.

Вопрос №2 Назначение, классификация, основные характеристики урч

Определение. УРЧ – усилитель электрических сигналов между входной цепью радиоприемника и первым смесителем.

По своим свойствам и построению УРЧ является резонансным усилителем, изученным в лекциях №6,7.

Назначение УРЧ:

1. Усиление принимаемых радиосигналов.

2. Обеспечение необходимых избирательных свойств приемника.

УРЧ также выполняет следующие основные функции:

− ослабление обратного излучения гетеродина (увеличение числа каскадов уменьшает такое излучение).

− обеспечение избирательности по поточным каналам приема.

УРЧ классифицируется по следующим признакам:

1. По типу УЭ:

• на транзисторах,

• на лампах,

• на туннельных диодах и т.д.

2. По виду связи избирательной системы с выходом УЭ и с выходом следующего каскада:

− с непосредственной (полной) связью,

− с трансформаторной,

− с автотрансформаторной,

− с емкостной,

− через емкостной делитель.

3. По типу настройки:

− диапазонный – усиление в определенном значении частот,

− с фиксированной настройкой.

4. По числу каскадов:

− однокаскадные,

− многокаскадные.

Как правило УРЧ содержит 1−2 каскада. Большее число усложняет настройку и устойчивость работы.

5. По способу включения:

− с общим эмиттером (ОЭ), общим катодом (ОК), общим истоком (ОИ),

− с общей базой (ОБ), общим затвором (ОЗ), общей сеткой (ОС),

− с общим коллектором (ОК), общим стоком (ОС), общим анодом (ОА).

6. По схеме питания:

− последовательная,

− параллельная.

Каскады УРЧ являются первыми и оказывают значительное влияние на параметры и характеристики всего радиоприемника.

Основные характеристики УРЧ:

Коэффициент усиления напряжения

; .

Коэффициент усиления на частоте резонанса – это резонансный коэффициент усиления К₀. К₀ – это наибольшее значение коэффициента усиления, получающегося на частоте, равной резонансной частоте колебательного контура (КК). При отстройке контура (удалении частоты сигнала от резонансной частоты контура) коэффициент усиления уменьшается.

Коэффициент усиления мощности

;

Для улучшения чувствительности радиоприемника УРЧ должен обладать большим К_Р.

Избирательность

Избирательность УРЧ оценивается резонансной кривой (рис.15.5).

К

Ко

0,707

Δf_П

f

f = f_О

Рис.15.5. Характеристика избирательности УРЧ

Избирательность δ показывает, насколько уменьшается коэффициент усиления на частоте мешающего сигнала (например, зеркального) по сравнению с резонансным коэффициентом усиления К₀.

Количественно избирательность δ характеризуется числом, показывающим во сколько раз уменьшается коэффициент усиления К по сравнению с резонансным коэффициентом усиления К₀ при заданной расстройке Δf

; .

Полоса пропускания – полоса частот Δf_П, на границах которой коэффициент усиления уменьшается по отношению к наибольшему в установленное число раз. Обычно Δf_П определяется на уровне 0,707 (рис.15.5) или 3 дБ.

Коэффициент прямоугольности К_П

Степень приближения формы реальной характеристики избирательности к идеальной прямоугольной форме оценивается коэффициентом прямоугольности К_П

где Δf_{П δ} – ширина характеристики избирательности на заданном уровне ослабления. Иногда Δf_Пδ называется полосой мешания.

Коэффициент шума УРЧ

Шумовые свойства УРЧ влияют на чувствительность радиоприемника.

Количественно шумы оцениваются коэффициентом шума – числом, показывающим во сколько раз отношение сигнал/шум на входе усилителя больше того же отношения на его выходе:

Динамический диапазон – отношение максимальной амплитуды входного сигнала усилителя, при которой искажения сигнала достигают предельно допустимого значения, к чувствительности усилителя. Динамический диапазон характеризует перегрузочную способность усилителя

Искажения сигналов

В УРЧ различаются следующие виды искажений:

– амплитудно-частотные,

– фазочастотные,

– нелинейные.

Выводы по 2-му вопросу:

1. Усилитель радиочастоты является резонансным усилителем, нагрузкой которого является колебательный контур (или несколько колебательных контуров).

2. УРЧ характеризуют такие же параметры, как и резонансный усилитель.

ВОПРОС №3

Резонансный транзисторный усилитель

с трансформаторным включением избирательной системы

к выходу усилительного прибора

Наиболее распространенной схемой данного усилителя является схема на транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером (рис.15.6б), а также на лампе – с общим катодом (рис.15.6а) и на полевом транзисторе, включенным по схеме с общим истоком, так как такие схемы обладают наибольшим коэффициентом усиления мощности.

Характерной особенностью данной схемы является нагрузка каскада, которая состоит как бы из двух контуров.

Первый контур L_СВC_ВЫХ образован L_СВ и выходной емкостью транзистора C_ВЫХ. К ней добавляется и межвитковая емкость катушки С_ОК.

Второй контур L_КC_К ­– это непосредственно избирательная система (нагрузка усилителя).

С_вых С_вых

L_СВ L_СВ

U_ВХ U_ВХ

R_Э С_Э

С_Ф R_Ф С_Ф R_Ф

а) б)

Рис. 15.6. Резонансный усилитель с трансформаторным включением контура

а) на лампе; б) на биполярном транзисторе

Первый контур L_СВС_ВЫХ имеет собственную частоту коллекторной цепи f_ОК

.

В зависимости от соотношения f_ОК и частоты сигнала f_С возможны три случая:

− f_ОК > f_{С max} (f_{С max} – максимальная частота сигнала),

− f_ОК < f_{С min} (f_{С min} – минимальная частота сигнала),

− f_{С min} < f_ОК < f_{С max.}

Режим «укорочения» – если f_ОК > f_{С max} .

График зависимости коэффициента усиления усилителя от частоты представлен на рисунке 15.7.

К₀

f

f_Сmin f_Сmax f_0К

Рис.15.7. Режим укорочения

Особенности режима укорочения:

– с ростом частоты К увеличивается;

– абсолютное значение К больше, чем в режиме удлинения;

– зависимость К₀ от частоты очень резкая (квадратичная) – это основной недостаток режима «укорочения».

Этот режим применяется в случаях, когда он требуется или в радиоприемнике с малыми величинами КПД.

Режим «удлинения», если f_ОК < f_{С min} .

График зависимости коэффициента усиления усилителя от частоты для этого режима представлен на рисунке 15.8.

К₀

f

f_0К f _Сmin f_Сmax

Рис.15.8. Режим удлинения

Особенности режима удлинения:

– с ростом частоты К₀ уменьшается,

– зависимость К₀ от частоты плавная – это основное достоинство этого режима.

Для получения этого режима параллельно L_СВ включается конденсатор. Подбором его емкости добиваются постоянства К₀.

Промежуточный режим, если f_{С min} < f_ОК < f_{С max} –. График зависимости коэффициента усиления от частоты для этого режима представлен на рисунке 15.9.

К₀

f

f _Сmin f_0К f_Сmax

Рис.15.9. Промежуточный режим

Из рисунка видно, что коэффициент усиления с ростом частоты вначале растет, достигая максимума на частоте ƒ_0А, а затем резко уменьшается. Такой характер зависимости коэффициента усиления от частоты является существенным недостатком режима. По этой причине режим на практике применения не нашел.

Режим «удлинения» и «укорочения» применяют в зависимости от того, какой характер изменения коэффициента усиления необходимо получить.

Например, входная цепь имеет режим «укорочения». Для получения К_{ПРЕСЕЛЕКТОРА} = const необходимо УРЧ перевести в режим «удлинения».

Резонансный коэффициент усиления каскада

,

где М – коэффициент взаимоиндукции,

р₂ – коэффициент включения КК к входу следующего каскада,

S – крутизна характеристики УЭ,

R_Э – эквивалентное сопротивление контура.

В общем виде

,

где р₁ – коэффициент включения усилительного элемента и колебательного контура.

Если f_ОК > f_{0 max}, то р₁ увеличивается с ростом частоты, значит К₀ увеличивается.

Если f_ОК < f_{0 min}, то с ростом частоты р₁ уменьшается и К₀ уменьшается.

Схема с общим эмиттером (ОК, ОИ) обеспечивает:

– большой коэффициент усиления мощности;

– большие R_ВХ, R_ВЫХ;

– фаза φ имеет сдвиг 180º.

Выводы по 3-му вопросу:

1. Схема супергетеродинного радиоприемника является наиболее распространенной.

2. УРЧ – первый усилитель в радиоприемнике и к нему предъявляются особые требования.

3. Режимы удлинения и укорочения используются для получения требуемой характеристики преселектора.