УСЧ – четырехполюсник
Назначение. Обеспечение преимущественного усиления радиосигнала на несущей частоте fс.
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, Rд, R`ф,C`ф, Rcм) и двойной автотрансформаторной связью (AT1,L1-2/Lк;AT2: L5-2/Lк).
L1C1 – вспомогательный последовательный ПФ выполняет функцию режекторного фильтра ослабляет помеху на промежуточной частоте
· Алгоритм опознавания каскада (схема – наименование каскада):
а. УС,VT,Eк,Rн = Rсм
б. УСЧ ВЦ – УСЧ – СМ
в. ПФ 1кк (Lк,C1,C2,C3)
г. m1 AT1 (L1-2 Lк)
д. m2 AT2 (L5-2 Lк)
е. ДВ, СВ, КВ: Ск= С1+С2+С3, Lк- серд. из магн. материала
ж. элементная база дискретная
· Наименование каскада (дано в заголовке).
– Структурная схема. Наименование, (назначение) и критерии функционирования цепей.
· ВхЦ Ід о – входная цепь постоянного тока делителя смещения (Eк→VTбэ): Uбэ≠0
· ВыхЦ Ік о – выходная цепь постоянного тока коллектора (Eк→VTкэ): Uкэ0>2В
· ВхЦ Іб m – входная цепь переменного тока базы (ВЦ→VTбэ): Uбэm≠0
· ВыхЦ Ік m – выходная цепь переменного тока коллектора (VTкэ→L1-2): UL1-2m>Uвх m
· ВыхЦ IКК m – выходная цепь переменного тока колебательного контура (LкCк): U3-4m > UL1-2m
· ВыхЦ Ін m – выходная цепь переменного тока нагрузки (UL5-2→СМ): Uвых СМ > Uвх 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 fоУСЧ, fс, Ек, Еном
· Алгоритм проверки:
а. проверяют функционирование VT по критериям Rбэ≠Rб, Rкб≠Rб при Uвх m = 0; Ек – откл;
б. проверяют цепи переменного тока по известным критериям функционирования при Uвх = 0; Ек = Ек ном
в. проверка на последующих этапах целесообразна, если восстановлено функционирование звеньев предыдущей операции. Uвх m = Uвх m норм, Ек = Ек ном
Анализ показателей каскада.
– Эквивалентная схема УСЧ.
· Состав (рис 6,в)
а. - выходная цепь УС как источник переменного тока с параметрами L, g22, C22, CM1
б. - полосовой фильтр с эквивалентными параметрами: Cк, gк, СL, Lк
в. эквивалентные элементы входного сопротивления СМ с параметрами: CM2, Свх, gвх
· 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 Спр УЭ;
;
;
в. применение развязывающих фильтров в цепях питания и смещения RфСф 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 RэCэ(Y21, Ψ(toC) 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 (fo, Y21, fmax) с малой проходной емкостью (↓С21), малошумящего (↓Кш).
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.