Усилители сигнальной частоты (УСЧ)

УСЧ – четырехполюсник

Назначение. Обеспечение преимущественного усиления радиосигнала на несущей частоте f_с.

Критерии функционирования:

Решаемые задачи: качественное усиление РС, обеспечение помехозащищенности, диапазонность, обеспечение устойчивой и стабильной работы.

Показатели. Критерии работоспособности.

– Резонансный коэффициент усиления напряжения.

 

– Полоса пропускания на заданном уровне отсчета.

 

– Коэффициенты избирательности по зеркальной помехе и помехе на промежуточной частоте.

 

 

– Рабочий диапазон частот.

 

– Критерий устойчивости.

 

– Стабильность. Сохранение работоспособности при замене полупроводникового прибора данного и следующего каскадов, изменений параметров среды в стандартных пределах, при колебании питающего напряжения, при воздействии помех от радиостанции с большой амплитудой.

– Малые габаритные размеры и масса.

Структурная схема.

– Структурные элементы УСЧ (рис.6, а).

УЭ- управляющий элемент преобразует мощность, постоянного тока в мощность радиосигнала.

ИП – источник питания обеспечивает мощность постоянного тока для УЭ

ПФ– полосовой фильтр

m1– элемент связи ПФ с УЭ

m2– элемент связи ПФ с СМ

Используя структурные элементы, дается полное техническое наименование каскаду.

– ВЦ источника радиосигнала.

– СМ - потребитель. Обладает комплексным входным сопротивлением.

Варианты УСЧ

– Классификация

· По виду УЭ- на биполярном транзисторе (БТ) или полевом (ПТ).

· По схеме включения УЭ с ОЭ (ОИ) с ОБ (ОЗ), каскодная ОЭ-ОБ (ОИ-ОЗ)

· По виду связи ПФ с УЭ УСЧ и СМ – с автотрансформаторной, индуктивной или комбинированной связью

· По виду нагрузки УЭ – резонансный (одно или двух контурний) или апериодический (резисторный, трансформаторный или дроссельный)

· По рабочему диапазону частоты – ДВ,СВ,КВ,МВ,ДМВ,СМВ.

· По элементной базе – на дискретных элементах или микросхеме.

– Техническое наименование каскада. В состав информации входит место подключения каскада в составе РПУ и общее назначение (УСЧ) и его классификационные элементы.

УСЧ ДИАПАЗОНОВ ДВ,СВ,КВ НА ДИСКРЕТНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ

Одноконтурный УСЧ на транзисторе с ОЭ с двойной автотрансформаторной связью (базовый вариант)

– Схема(рис.6,б)

· Алгоритм формирования схемы (наименование – схемы).

Принцип исполнения схемы такой же как резисторного каскада (рис 6,г) на транзисторе с ОЭ, с одним источником питания, параллельной схемой смещения через делитель, со звеном с эмиттерной стабилизации и емкостной связью с нагрузкой. Особенность схемы УСЧ вместо разделительного резистора R- подключен контур с параллельным питанием (Lк, С1, С2, VD1, VD2, C’_p, C``_p, R_д, R`<sub>ф</sub>,C`_ф, R_cм) и двойной автотрансформаторной связью (AT1,L1-2/L_к;AT2: L5-2/L_к).

L₁C₁ – вспомогательный последовательный ПФ выполняет функцию режекторного фильтра ослабляет помеху на промежуточной частоте

 

· Алгоритм опознавания каскада (схема – наименование каскада):

а. УС,VT,E_к,R_н = R_см

б. УСЧ ВЦ – УСЧ – СМ

в. ПФ 1кк (L_к,C1,C2,C3)

г. m1 AT1 (L1-2 L_к)

д. m2 AT2 (L5-2 L_к)

е. ДВ, СВ, КВ: С_к= С1+С2+С3, L_к- серд. из магн. материала

ж. элементная база дискретная

· Наименование каскада (дано в заголовке).

– Структурная схема. Наименование, (назначение) и критерии функционирования цепей.

· ВхЦ І_{д о} – входная цепь постоянного тока делителя смещения (E_к→VT_бэ): U_бэ≠0

· ВыхЦ І_{к о} – выходная цепь постоянного тока коллектора (E_к→VT_кэ): U_кэ0>2В

· ВхЦ І_{б m} – входная цепь переменного тока базы (ВЦ→VT_бэ): U_бэm≠0

_· ВыхЦ І_{к m} – выходная цепь переменного тока коллектора (VT_кэ→L_1-2): U_L1-2m>U_{вх m}

· ВыхЦ I_{КК m} – выходная цепь переменного тока колебательного контура (L_кC_к): U_3-4m > U_L1-2m

· ВыхЦ І_{н m} – выходная цепь переменного тока нагрузки (U_L5-2→СМ): U_{вых СМ} > U_{вх m}

 

– Проверка технического состояния УСЧ осуществляется в лаборатории в соответствии с технологией по критериям П2 и 4 УСЧ четырехполюсник.

– Проверка транзистора и поиск отказавшей электрической цепи.

· Исходные условия УСЧ в состоянии отказа на входе каскада действует АМС с заданными параметрами f_оУСЧ, f_с, Е_к, Е_ном

 

· Алгоритм проверки:

а. проверяют функционирование VT по критериям R_бэ≠R_б, R_кб≠R_б при U_{вх m} = 0; Е_к – откл;

б. проверяют цепи переменного тока по известным критериям функционирования при U_вх = 0; Е_к = Е_{к ном}

в. проверка на последующих этапах целесообразна, если восстановлено функционирование звеньев предыдущей операции. U_{вх m} = U_{вх m норм}, Е_к = Е_{к ном}

Анализ показателей каскада.

– Эквивалентная схема УСЧ.

· Состав (рис 6,в)

а. - выходная цепь УС как источник переменного тока с параметрами L, g₂₂, C₂₂, C_M1

б. - полосовой фильтр с эквивалентными параметрами: C_к, g_к, С_L, L_к

в. эквивалентные элементы входного сопротивления СМ с параметрами: C_M2, С_вх, g_вх

· Упрощенная эквивалентная схема (рис 6,д).

а. получена из полной путем пересчета эквивалентных параметров VT и СМ в цепь колебательного контура (рис 6,г) и суммирования значений однородных параметров.

б. применяется для анализа показателей каскада.

– Рабочий диапазон частот, коэффициенты избирательности по удаленным помехам и полоса пропускания определяется элементами ПФ каскада. В составе УСЧ применен такой же по схеме ПФ как и в базовом варианте ВЦ. Поэтому система анализа зависимости перечисленных показателей УСЧ от параметров элементов ПФ и способны восстановления работоспособности по ним такие же как и во ВЦ.

– Усиление каскада.

· Резонансный коэффициент усиления по напряжению:

;

;

 

· Резонансный коэффициент усиления по напряжению в режиме согласования

;

 

· Зависимость показателя от частоты настройки

 

· Восстановление работоспособности

; ;

– Устойчивость работы.

· Критерий неустойчивости работы УСЧ каскада само возбудился или у него резко увеличился коэффициент усиления по напряжению.

· Каналы паразитной положительной обратной связи:

а. магнитная или электрическая связь по переменному току между различными цепями;

б. паразитная связь между каскадами через общий источник постоянного тока.

· Технические решения по обеспечению устойчивой работы (рис. 6.б)

а. экранирование ПФ как источника сильных магнитных и электрических связей;

б. уменьшение коэффициента усиления по напряжению УСЧ из условия ослабления связи через С_пр УЭ;

;

;

в. применение развязывающих фильтров в цепях питания и смещения R_фС_ф и R^/_фС^/_ф

· Восстановление устойчивой работы. Если в процессе эксплуатации обнаружена неустойчивая работа каскада необходимо найти канал, по которому восстановилась достаточно глубокая паразитная положительная обратная связь путем проверки функционирования элементов, обеспечивающих устойчивую работу.

– Стабильность работы.

· Критерий нестабильности изменение показателей каскада под воздействием внешних факторов, которое приводит к нарушению работоспособности.

· Дестабилизирующие факторы: измерение параметров среды и колебание питающего напряжения замена транзистора УСЧ или нелинейного элемента СМ, большой по амплитуде радиосигнал или помеха от радиостанции. В последнем случаи может расстраиваться колебательный контур, при использовании в его составе варикапа и транзистор будет работать в режиме нелинейного усиления. Нелинейный режим работы VT может привести к следующим последствиям:

а. блокирования сигнала - уменьшение усиления и ухудшения соотношения сигнал/шум на выходе РП из-за действия мешающего колебания с большой амплитудой находящегося за пределами полосы пропускания ПФ;

б. к перекрестной модуляции – перенос модуляции на несущую РП под воздействием внеполосного мешающего АМК с большой амплитудой;

в. к интермодуляции – две или более помехи радиостанции образуют в УСЧ комбинацию по несущей частоте, близкую к промежуточной частоте, возникает интерференционный свист, так разностная частота помехи и нормальная промежуточная частота лежит в звуковом диапазоне.

· Обеспечение стабильности

а. предусматривают такие же технические решения как и во ВП.

б. дополнительные меры: подключают звено эмиттерной стабилизации R_эC_э(Y₂₁, Ψ(t^oC) const); повышают избирательность ВП; исключают УСЧ из системы АРУ для сохранения работы VT в линейном режиме.

– Миниатюризация. Применение УСЧ на микросхеме

2. Варианты УСЧ по виду связи (сопоставление с базовым вариантом)

– Классификация (рис.7,а) с индуктивной и индуктивно-емкостной связью.

– Свойство и применение-аналогия с ВЦ таких же вариантов.

3.Варианты УСЧ по виду полосового фильтра (сопоставление с базовым вариантом)

– Двухконтурные УСЧ (рис. 7д)

· в качестве ПФ применяется два перестраиваемых колебательных контура с одинаковыми однородными параметрами.

· обеспечивает повышенную избирательность но меньший коэффициент усиления по напряжению.

· применяется в РПУ с повышенной избирательностью по удаленным помехам.

– Апериодические УСЧ (рис. 7,б,в,г)

· В качестве ПФ применяется резистор, высокочастотный трансформатор и дроссель.

· Каскад обеспечивает только устойчивое усиление

· Применяется в РПУ если ВЦ обеспечивает заданный коэффициент избирательности по удаленным помехам, но в ТСЧ требуется дополнительное усиление радиосигнала, чтобы получить более высокую реальную чувствительность.

 

УСЧ ДИАПАЗОНА МВ (λ=1-10м, f=30…300МГц)

Особенности условий работы УСЧ

– Технические проблемы в процессе обработки радиосигнала на повышенной несущей частоте:

· настройка ПФ в резонанс на повышенную несущую частоту.

· обеспечение высоких показателей каскада при увеличении активных потерь мощности сигнала в ПФ.

· устойчивая и без инерционная работа каскада.

· увеличение соотношения сигнал/шум.

– Обеспечение решаемых задач

· Первые две проблемы решаются применением ПФ МВ и обеспечение за счет него режима избирательного согласования. Техническое решение проблем рассмотрено при изучении ВЦ МВ.

· Две последующие проблемы разрешаются благодаря выбора УКВ транзистора с возможно большей крутизной характеристики (↑Y₂₁), безинерционного (f_o, Y₂₁, f_max) с малой проходной емкостью (↓С₂₁), малошумящего (↓К_ш).

2. Варианты схем УСЧ (рис. 8)

– Одноконтурный УСЧ на транзисторе с ОЭ с двойной автотранспортной связью МВ (рис. 8.а)

– Одноконтурный УСЧ на транзисторе с ОИ с двойной автотранспортной связью МВ (рис. 8.б)

 

УСЧ ДИАПАЗОНА ДМВ

(сопоставление с базовым вариантом)

Особенность условия работы. Каскады на VT с ОЭ (ОИ) при f>300 МГц самовозбуждаются за счет паразитной связи через проходную емкость транзистора, поэтому как усилительные не применяются.

Одноконтурный УСЧ на транзисторе с ОБ (ОЗ) с двойной автотрансформаторной связью.

– Схема каскада. Алгоритм исполнения схемы такой же, как базового варианта. Особенность: возбудитель подключен к эмиттеру (истоку) VT, база (затвор) на корпусе по переменному току (рис. 9,а и б)

– Особенности свойств.

· Каскад обеспечивает больший устойчивый коэффициент усиления, т.к. проходная емкость транзистора уменьшена благодаря заземленному экрану, функцию которого выполняет заземленный управляющий электрод – база – у биполярного VT, затвор – у полевого

 

· Каскад позволяет получить меньший коэффициент усиления по мощности ;

а. - каскад не усиливает сигнал по току ;

б. -каскад усиливает сигнал по напряжению

· Каскад обладает малым входным сопротивлением, поэтому ухудшает основные показатели ВЦ

 

· Входная цепь обеспечивает меньший коэффициент избирательности по удаленным каналам

 

· Меньше соотношение сигнал/шум. ВЦ обеспечивает меньший коэффициент передачи по напряжению и имеет более широкую полосу пропускания.

– Применение. В РПУ со средним значением реальной чувствительности.

Одноконтурный УСЧ на транзисторах каскодной схемы с двойной автотрансформаторной связью.

– Определение. Каскодная схема – это усилительный каскад, выполненный на двух транзисторах, включенных по схеме ОЭ – ОБ (ОИ - ОЗ).

– Структура схемы (рис. 10,а и б):

· -апериодический УСЧ на VT1 с ОЭ (ОИ);

· -одноконтурный УСЧ на VT2 с ОБ (ОЗ);

· -связь между транзисторами непосредственная;

· -питание выходных цепей двух транзисторов последовательное.

– Сопоставление свойств с предыдущим каскадом

· Сложнее схема, т.к. предусмотрен дополнительно усилитель на VT с ОЭ (ОИ)

· Обеспечивает большее усиление сигнала по мощности.

 

· Каскодная схема обеспечивает большее входное сопротивление

 

· Входная цепь обеспечивает больший коэффициент избирательности

 

· Устойчивость работы каскодной схемы каскада с ОБ одинаковая:

а. -усилитель на VT1 работает устойчиво, т.к. ;

б. -усилитель на VT2 работает устойчиво, т.к. VT с ОБ (ОЗ).

· Каскодная схема улучшает соотношение сигнал/шум, т.к. обеспечивает большее усиление сигнала и ВЦ имеет узкую полосу пропускания.

 

– Применение. В РПУ с повышенной реальной чувствительностью.

 

АЛГОРТМ РАСЧЕТА УСЧ

Исходные условия. Дано: принципиальная схема и основные показатели каскада, типовые параметры выходной цепи высокочастотного транзистора УСЧ и параметры входного сопротивления смесителя, полярность и номинал напряжения источника питания.

Результаты расчета. Определены значения и выбраны по ГОСТ параметры элементов каскада.

Последовательность логических операций.

– Определяют значения параметров ПФ, повторив П 3.1-3.7 алгоритма расчета ВЦ.

– Рассчитывают значение эквивалентной проводимости ПФ.

– Выбирают тип транзистора по крутизне характеристики, исходя из коэффициента усиления по напряжению, без инерционной работы, малой проходной емкости и мало коэффициента шума.

– Рассчитывают необходимый коэффициент включения контура из условия устойчивости работы.

– Определяют коэффициент включения , исходя из условия согласования.

– Рассчитывают добротность ненагруженного контура и сопоставляют его значение с реально осуществимой. Если не удовлетворяет этому критерию, то уменьшают коэффициенты включения и , сохраняя режим согласования.

– Вычисляют фактические показатели УСЧ и сопоставляют их значения с заданными.

– Определяют значения параметров вспомогательных элементов каскада по методике, приведенной в технической литературе, и выбирают их по номиналу ГОСТа.

– Заносят в таблицу спецификации информацию по рассчитанным параметрам элементов.