Усилители радиочастоты и малошумящие усилители
ЛЕКЦИЯ 5
- Усилители радиочастоты и малошумящие усилители
2.4.1 Общие сведения об усилителях радиочастоты
Усилителем радиочастоты (избирательным) называют усилители, у которых в качестве нагрузки используются частотно избирательные цепи, в результате чего коэффициент усиления становится также частотнозависимым. В простейшем случае в качестве такой цепи применяется колебательный контур. ИУ предназначены для обеспечения высокой чувствительности РПУ за счёт предварительного усиления радиосигнала и его селекции на фоне помех. Применение резонансных систем необходимо для обеспечения требуемой избирательности приёмника по зеркальному и прямому каналам приема.
Основными качественными показателями избирательных усилителей являются:
- Резонансный коэффициент усиления по напряжению ;
- Избирательность по побочным каналам приема ;
- Коэффициент шума ;
- Динамический диапазон .
Здесь – максимальное входное напряжение, при котором нелинейные искажения еще не превышают допустимого значения; – входное напряжение, при котором на выходе усилителя обеспечивается требуемое отношение с/ш.
В силу решаемых ими задач к УРЧ предъявляются следующие требования:
- обеспечение частотной избирательности по дополнительным каналам приема (прямому, зеркальному, комбинационным);
- обеспечение требуемого коэффициента шума;
- обеспечение требуемого устойчивого коэффициента усиления, необходимого для доведения уровня принимаемых сигналов до величины, необходимой для нормальной работы последующих каскадов.
Количественные характеристики этих требований различны для УРЧ различных диапазонов. Как известно, в диапазонах ДВ, СВ и КВ, чувствительность определяется уровнем внешних шумов, поступающих на вход приемника. В этих условиях высокий коэффициент усиления не требуется, поэтому обычно используют не более двух каскадов с общим К0 = 2…5. Основное внимание уделяется обеспечению избирательности по прямому и зеркальному каналам приема, а также обеспечению высокой линейности каскадов для исключения возникновения комбинационных каналов приема и интермодуляционных искажений.
В качестве нагрузки используются одно и двухконтурные системы, так как более сложные затрудняют перестройку по диапазону. Предпочтение отдается применению полевых МДП-транзисторов, обеспечивающих лучшую линейность каскадов.
В диапазонах ДМВ и выше чувствительность определяется уже собственными шумами. Здесь очень важно обеспечить требуемое значение коэффициента шума. Чувствительность приемников в этих диапазонах может достигать единиц микровольт, поэтому требуется большое усиление во входных каскадах. Обычно используется 1…3 каскада с общим К0 = 100…200, часто неперестраиваемые, так как значения промежуточной частоты в этом случае выбирается достаточно высоким и легко обеспечивается подавление побочных каналов приема во всем принимаемом диапазоне. Для снижения коэффициента шума могут применяться усилители на туннельных диодах и параметрические усилители.
2.4.2 Схемы включения активных элементов
2.4.3 Устойчивость и самовозбуждение УРЧ
А) Факторы, влияющие на устойчивость
Причиной неустойчивой работы усилителей является возникающая в них паразитная положительная обратная связь (ПОС). Под неустойчивой работой при этом понимаются изменения основных параметров и характеристик усилителя (вплоть до перехода в режим самовозбуждения) во времени под действием различных дестабилизирующих факторов.
Как известно, при ПОС коэффициент усиления усилителя описывается выражением
, (3.1)
где - коэффициент передачи цепи обратной связи. Произведение называют петлевым усилением каскада. Согласно критерию Найквиста каскад находится на пороге генерации (самовозбуждения) при условии =1, или, что то же самое,
(3.2)
Это условие распадается на два
1) , (3.3)
т.е. суммарный набег фазы по пути от входа усилителя до выхода и обратно должен быть кратен 2 (так называемый баланс фаз);
2) =1, (3.4)
т.е. часть сигнала, попадающая обратно на вход усилителя, должна быть равна исходному сигналу (баланс амплитуд).
Все способы образования паразитных ПОС можно разделить на внешние и внутренние. К внешним относятся:
- Связь каскадов за счет общих цепей питания (гальваническая обратная связь). Наличие у источника питания конечного внутреннего сопротивления Ri приводит к тому, что переменные токи последующих каскадов (очевидно, что чем дальше каскад от входа усилителя, тем большей амплитуды переменный ток через него протекает) создают на нем падение напряжения U~ на усиливаемых частотах (см. рис.3.2). Часть этого напряжения по цепям питания проникает в предыдущие каскады, в частности, во входные их цепи через элементы,
Рис.3.2 обеспечивающие режим по постоянному току (Uос на рисунке). При определенных условиях такая обратная связь может оказаться положительной.
Для устранения обратной связи такого типа источник питания шунтируют по переменному току конденсатором большой емкости и применяют фильтры в цепях питания отдельных каскадов (рис.3.3).
Сопротивления фильтров Rф выбирают равными 1…3 кОм. Конденсаторы фильтров – из условия . Конденсаторы необходимо использовать керамические, так как у пленочных и электролитических велика собственная индуктивность из-за того, что конструктивно они выполнены в виде рулонов, содержащих большое количество вит-
Рис.3.3 ков. Конденсаторы устанавливают в непосредственной близости от нагрузочных колебательных контуров, чтобы сократить путь протекания токов высокой частоты.
2. Емкостная связь между выходом и входом одного каскада или между каскадами. Очевидно, что любые два проводника, находящиеся на некотором расстоянии друг от друга, можно рассматривать как конденсатор. Так, например, выводы транзистора длиной около сантиметра могут иметь емкость в пределах 1…10 пф, в зависимости от их взаимного расположения. На высоких частотах это весьма заметная величина.
Для уменьшения паразитных емкостей рекомендуется рациональное размещение каскадов, обеспечивающее максимальные расстояния между входами и выходами; выполнение конструкции в виде ячеек, разделенных экранирующими перегородками; применение двухсторонних печатных плат, одна из фольгированных сторон которых используется в качестве общего провода; экранирование отдельных каскадов или их элементов и т.д.
3. Индуктивная связь между входом и выходом одного каскада или между каскадами.
Для ее уменьшения применяются магнитные экраны (броневые сердечники из ферритов, карбонильного железа и т.п.), минимизируют длину выводов и соединительных проводников. Входные и выходные катушки располагают на как можно большем расстоянии друг от друга, ориентируя их продольные оси во взаимно перпендикулярных плоскостях для уменьшения взаимных индуктивностей.
Правильным выбором средств все вышеперечисленные причины возникновения ПОС можно частично или полностью устранить. Однако всегда остается еще один канал проникновения части выходного сигнала на вход – внутренняя проводимость обратной связи активного элемента Y12. У любого реального усилительного прибора она отлична от нуля и устранена быть не может. Её действие можно лишь компенсировать до определенных пределов.
Б) Условия отсутствия самовозбуждения в избирательном усилителе
Рассмотрим для простоты ситуацию, когда источником сигнала для избирательного усилителя и его нагрузкой являются точно такие же каскады (рис.3.4). В этом случае одноименные параметры каскадов одинаковы:
, и . (3.5)
Пересчитав выходную проводимость предыдущего каскада сначала в контур, а затем непосредственно ко входу транзистора, получим результирующую проводимость , подключенную ко входу (рис.3.5): . (3.6)
Рис.3.4
Аналогично входная проводимость следующего каскада, приведенная к выходу транзистора, запишется в виде:
. (3.7)
Следует обратить внимание, что Uвх на рис.3.4 и U1 на рис.3.5 - это разные величины, так же как и Uвых и U2.
Для дальнейшего анализа необходимо получить выражения, описывающие коэффициент передачи усилителя при отсутствии обратной связи () и коэффициент передачи цепи обратной связи (). Для этой цели заменим транзистор в предыдущей
Рис.3.5 схеме на его эквивалент, считая, что проводимость обратной связи в нем отсутствует. Преобразованная схема изображена на рис.3.6.
Коэффициент передачи такой схемы по напряжению определится выражением: . (3.9)
Заметим, что он не равен коэф-
Рис.3.6 фициенту усиления исходного (рис.3.4) усилителя, который определяется выражением:
. (3.10)
Из схемы (рис.3.6) очевидно, что выходное напряжение можно получить, разделив выходной ток на результирующую выходную проводимость:
. (3.11)
Знак "минус" в выражении учитывает противоположность направления протекания тока через проводимости и напряжения на них.
Подставив правую часть этого выражения в числитель формулы (3.9) и сократив дробь на , получим:
. (3.12)
Аналогичные рассуждения позволяют вывести выражение для . Причиной появления на входе усилителя напряжения обратной связи () является выходное напряжение транзистора и проводимость обратной связи . Исключая из рассмотрения прохождение сигнала через усилитель в прямом направлении, т.е. полагая =0, его эквивалентную схему для передачи сигнала обратной связи можно представить в виде, показанном на рис.3.7.
Под воздействием выходного напряжения через входные проводимости будет протекать ток (см. рис.3.7), создавая на них падение напряжения:
. (3.13)
Рис.3.7
Коэффициент передачи цепи обратной связи определим по формуле , подставив в ее числитель правую часть выражения (3.13):
. (3.14)
Формулу для петлевого усиления получим перемножив правые части выражений (3.14) и (3.12):
. (3.15)
Вместо проводимостей иподставим в знаменатель последнего выражения правые части формул (3.6) и (3.7) соответственно:
. (3.16)
Выражение, стоящее в знаменателе в скобках, представляет собой эквивалентную проводимость контура нагрузки избирательного усилителя с пересчитанными в него проводимостями предыдущего и последующего каскадов (см. формулу( )) и может быть представлена в виде . С учетом этого, окончательно формулу (3.16) можно переписать в виде:
. (3.17)
В) Баланс фаз и амплитуд
При проектировании избирательных усилителей надлежащим выбором транзистора обычно легко выполнить условие, чтобы граничная частота усиления транзистора минимум в три раза превышала максимальную рабочую частоту усилителя. В этом случае комплексную проводимость прямой передачи можно считать чисто активной, т.е. . Проводимость же обратной связи наоборот – чисто мнимой и образованной внутренней (проходной) емкостью (С12), связывающей выходную и входную области p-n переходов транзистора (для схемы ОЭ это емкость перехода коллектор-база, например. Активная проводимость обратно-смещенного коллекторного перехода при этом пренебрежимо мала). Другими словами, можно записать:. Учтем эти замены в (3.17) и домножим числитель и знаменатель на .
. (3.18)
Компоненты формулы, взятые в фигурные скобки представляют собой квадрат резонансного коэффициента передачи усилителя (см. формулу ( )). Произведя соответствующую замену, получим:
. (3.19)
Домножим числитель и знаменатель на величину, комплексно сопряженную со стоящей в знаменателе, и выделим в получившемся выражении действительную и мнимую части в явном виде:
(3.20)
Полученное выражение позволяет проанализировать условия возникновения самовозбуждения в усилителе. Баланс фаз, в соответствии с (3.3), означает равенство нулю коэффициента при мнимой части формулы (3.20):
. (3.21)
Известно, что дробь равна нулю, когда числитель равен нулю, т.е. =0. Первые три сомножителя здесь не могут быть равны нулю, следовательно =0, или =1. Последнее возможно в двух случаях:
; (3.22)
. (3.23)
Обобщенная расстройка равна единице, как известно, на границах полосы пропускания усилителя. Только в этих точках выполняется баланс фаз и возможно самовозбуждение усилителя!
Полученное условие является необходимым, но не достаточным. Условие баланса амплитуд, в соответствии с формулами (3.4) и (3.20), означает:
=1. (3.24)
Поскольку в правой части равенства стоит положительная величина, то и левая часть должна быть положительной. Это возможно только при = -1, так как остальные компоненты формулы не могут быть отрицательными. Это ограничение означает, что самовозбуждение возможно только на левой границе полосы пропускания усилителя.
Рассмотренные условия самовозбуждения позволяют сделать вывод, что для обеспечения устойчивой работы усилителя необходимо, чтобы левая часть уравнения (3.24) была меньше единицы. Причем, чем сильнее это неравенство, тем устойчивее усилитель. Для количественной оценки устойчивости вводят понятие коэффициента устойчивости , определяя его как
. (3.25)
Очевидно, что при =1 в каскаде отсутствует обратная связь (левая часть уравнения (3.4) равна нулю) и усилитель абсолютно устойчив, а при =0 выполняются условия самовозбуждения и усилитель превращается в генератор.
На практике обычно задают требуемое значение . С его учетом условие устойчивости каскада получим из формулы (3.4):
. (3.26)
Подставив в это выражение значение левой части из (3.24) и положив = -1, получим:
. (3.27)
Поскольку в правой части обеспечены условия устойчивости, то и значение К0, стоящее в левой части – есть значение, при котором усилитель устойчив. Обозначим это значение через и выразим его из (3.27) в явном виде:
, или (3.28)
На практике выбирают = 0,8…0,9. Для = 0,9 формула приобретает вид:
. (3.29)
Для схемы с ОЭ, например, и формула приобретает вид, пригодный для практических расчетов
. (3.30)
Из формулы видно, что для повышения коэффициента устойчивого усиления необходимо выбирать транзистор с большим значением коэффициента передачи по току h21, малым входным сопротивлением по переменному току h11 и как можно меньшим значением проходной емкости С12.
Необходимо подчеркнуть, что в любом случае, при наличии ПОС, даже если самовозбуждение отсутствует, АЧХ усилителя искажается. Чем сильнее обратная связь (чем больше ), тем сильнее искажается форма резонансной характеристики (рис.3.8).
Рис.3.8
В заключение следует отметить, что для увеличения "прозрачности" рассуждений было использовано много упрощений. В реальных усилителях картина много сложнее, однако, основные причины и закономерности возникновения самовозбуждения те же самые.
Усилители радиочастоты и малошумящие усилители