Входные цепи радиоприёмников

Назначение, структурная схема и качественные показатели входных цепей

 

Как известно, входная цепь является первым элементом РПУ и она расположена между антенной, находящейся за пределами РПУ, и первым каскадом РПУ. Это положение определяет её назначение.

Входная цепь выполняет следующие функции:

1. Обеспечивает избирательность принимаемого сигнала и подавление других сигналов. Очевидно, что это можно выполнить только с помощью резонансного контура, который является основной частью входной цепи.

2. Обеспечивает согласование РПУ с антенной, для обеспечения передачи максимума мощности сигнала, наводимого в антенне, во входную цепь.

3. Обеспечивает согласование согласование входной цепи с первым каскадом РПУ для обеспечения передачи максимума максимума мощности сигнала из входной цепи в первый каскад РПУ.

На рис.7 представлена структурная схема входной цепи.

 

 

 

Рис.7 Структурная схема входной цепи.

 

Качественные показатели входной цепи.

 

12. Коэффициенты передачи входной цепи:

Коэффициент передачи по напряжению:

 

.

Коэффициент передачи по мощности:

.

где U_Вц, P_Вц - напряжение и мощность сигнала на выходе входной цепи;

U_А, P_А - напряжение и мощность сигнала на входе входной цепи.

 

Коэффициент избирательности ВЦ - это отношение коэффициента передачи на резонансной частоте к коэффициенту передачи при заданной расстройке:

 

Коэффициент неравномерности в полосе пропускания - это отношение коэффициента передачи на резонансной частоте к коэффициенту передачи на границе полосы пропускания :

 

.

 

Коэффициент перекрытия диапазона принимаемых частот – отношение максимальной частоты резонансного контура ВЦ к минимальной частоте резонансного контура ВЦ:

.

При настройке приёмника изменяется величина ёмкости конденсатора резонансного контура ВЦ. При минимальной ёмкости конденсатора будет максимальная частота контура и при максимальной ёмкости конденсатора будет минимальная резонансная частота резонансного контура ВЦ.

 

Схемы входных цепей РПУ

Базовым элементом входной цепи является параллельный резонансный контур, который определённым образом связан с антенной. Имеют следующие виды связи ВЦ с антенной: индуктивная, емкостная и индуктивно емкостная.

Индуктивная связь подразделяется на трансформаторную и автотрансформаторную связи (рис.8) антенны с входной цепью.

 

а б

 

Рис. 8 Трансформаторная связь (а) и автотрансформаторная связь (б)

антенны с входной цепью.

 

От вида связи антенны с входной цепью зависит вид коэффициента передачи антенны во входную цепь от частоты (рис. 9).

Рис. 9 Зависимость К_А от частоты при индуктивной связи антенны с входной цепью.

 

Как видно из графика, с увеличением частоты коэффициент передачи уменьшается. Это связано с тем, что при увеличении частоты возрастает сопротивление катушки связи X_LСв = ω L_Св, что ведёт к уменьшению тока в ней. Это ведёт к уменьшению магнитного потока между катушкой связи и катушкой контура, а, значит, к уменьшению наводимой Э.Д.С. в катушке контура.

На схеме контура ВЦ показаны два конденсатора. Конденсатором со стрелкой осуществляется настройка контура на частоту принимаемого сигнала. Конденсатор со звёздочкой является подстроечным конденсатором и он предназначен для подстройки контура ВЦ. Его ёмкость не значительная и на много меньше ёмкости настроечного конденсатора.

Емкостная связь показана на рис. 10.

 

 

Рис. 10 Емкостная связь антенны с входной цепью.

 

При емкостной связи с увеличением частоты коэффициент передачи антенны возрастает рис.11.

 

Рис. 11 Зависимость К_А от частоты при емкостной связи

антенны с входной цепью.

 

Увеличение коэффициента передачи антенны при емкостной связи объясняется уменьшением сопротивления конденсатора связи при увеличении частоты. По второму закону Кирхгофа:

E_A = U_C,Св + U_Lk

 

Из этого уравнения видно, что уменьшение сопротивления конденсатора связи ведёт к увеличению тока в индуктивности контура и увеличению напряжения на ней.

Индуктивно емкостная связь показана на рис. 12.

 

 

Рис. 12. Индуктивно емкостная связь антенны с контуром.

 

В этой схеме работают два механизма передачи сигнала из антенны во входную цепь. На низких частотах проявляет себя индуктивная связь, а на высоких частотах работает емкостная связь. На рис.13 показана зависимость коэффициента передачи антенны при индуктивно емкостной связи.

 

Рис.13 Зависимость К_А от частоты при индуктивно емкостной связи

антенны с входной цепью.

 

Сигнал, поступивший из антенны во входную цепь, далее из входной цепи передаётся в нагрузку. В качестве нагрузки является усилитель. Различают несколько способов подключения нагрузки к входной цепи – индуктивный, емкостной и индуктивно-емкостной.

Индуктивный способ подключения подразделяется на трансформаторный и на автотрансформаторный. На рис.14 показаны два этих способа подключения нагрузки к входной цепи.

 

 

 

а б

 

Рис.14 Трансформаторный (а) и автотрансформаторный

способы подключения нагрузки к входной цепи.

 

Эти способы позволяют осуществлять согласование входной цепи с нагрузкой, т.е. с водным сопротивлением усилителя.

Емкостной способ связи входной цепи с нагрузкой показан на рис.15 (а).

 

 

 

а б

Рис.15 Емкостной (а) и индуктивно-емкостной (б) способы подключения

нагрузки к входной цепи.

 

Усилители

Усилители – это устройства, которые осуществляют усиление сигнала. В РПУ применяются резонансные усилители и апериодические (резистивные) усилители. Резонансные усилители помимо усиления сигнала решают задачу селекции усиливаемого сигнала, т.е. выделения самого сигнала и подавления помех. Обязательным элементом этого усилителя является резонансный контур. Апериодический усилитель решает задачу только усиление сигнала по какому либо параметру – по мощности, по току или по напряжению.

Базовым элементом любого усилителя является усиливающий элемент, которым является или транзистор или электровакуумный прибор (триод, тетрод, пентод).

Режимы работы транзистора.

В схемотехнике применяются три схемы включения биполярных транзисторов – с общей базой, с общим эмиттером и с общим коллектором (рис.16).

 

 

При анализе работы транзисторов используются следующие коэффициенты усиления.

Коэффициентом усиления по току называется отношение приращения тока на выходе к приращению тока на входе:

 

 

Коэффициентом усиления по напряжению называется отношение приращения на выходе к приращению входного напряжения:

Коэффициентом усиления по мощности называется отношение приращения мощности на выходе к приращению мощности на входе:

Для транзистора, включённого по схеме с общей базой, коэффициент усиления по току определяется по формуле:

;

Исходя из принципа работы транзистора, ток коллектора заметно больше тока базы. Поэтому значения коэффициента усиления в схеме с ОБ несколько меньше единицы и принято считать, что его значения лежат в интервале 0,9 ÷ 0,99. С целью большего удобства коэффициент усиления по току в схеме с ОБ обозначают через α:

;

Для транзистора, включённого по схеме с общим эмиттером, коэффициент усиления по току определяется по формуле:

 

Из-за особой важности коэффициента усиления по току в схеме транзистора с ОЭ этот коэффициент принято обозначать дополнительно к общему обозначению греческой буквой β (бета).

Учитывая, что коэффициент усиления по току в схеме с общей базой изменяется в пределах α=0,9 – 0,99, находим, что β изменяется в пределах:

 

= 9÷99

 

Теоретически, при α → 1, что возможно при → 0, значение → ∞.

Коэффициент усиления по напряжению определяем по формуле:

 

Коэффициент усиления по мощности определим как произведение коэффициентов усиления по току и по напряжению:

;

Отношение сопротивления нагрузки к входному сопротивлению составляют величину большую единицы. Поэтому видно, что у транзистора, включённого по схеме с общим эмиттером коэффициент усиления по напряжению составляет 10², а коэффициент усиления по мощности составляет 10⁴.

Сравнивая коэффициенты усиления для двух рассмотренных схем включения транзистора, видим, что в схеме включения с общим эмиттером коэффициенты усиления на много больше коэффициентов усиления в схеме, включения с общей базой. Поэтому понятно, что при построении усилителей используется включение транзистора по схеме с общим эмиттером.

Динамический режим работы транзистора, включённого по схеме с общим эмиттером, представлен характеристиками на рис. 17 – рис.19.

 

 

 

 

Режимы работы усилителей

Известны три режима работы транзистора, которые определяются его электрическим состоянием при отсутствии входного сигнала. Первый режим определяется точкой 2 на проходной динамической характеристики (рис. 19). В этом случае амплитуда входного сигнала на базе транзистора не должна выходить за пределы линейного участка проходной характеристики (точки 1 -3). Такой режим работы называется «режим А». На рис.20 показано построение тока коллектора пи синусоидальном напряжении на базе транзистора.

 

 

 

Рис.20 Работа транзистора в режиме «А»

.

В этом режиме в исходном состоянии (при отсутствии сигнала) в цепи коллектора всегда присутствует ток значительной величины. Поэтому К.П.Д. усилителя в режиме «А» мал и составляет 20 – 30%.

Второй режим работы транзистора называется «режимом В». Он характеризуется тем, что его рабочая точка находится в начале линейного участка проходной характеристики (точка 1, рис. 19), а амплитуда входного сигнала не должна выходить за верхний предел линейного участка (точка 3, рис. 19). На рис. 21 показан вид тока коллектора в этом режиме работы транзистора. Видно, что ток коллектора по форме от входного сигнала.

 

 

 

Рис. 21 Работа транзистора в режиме «В».

 

В таком сигнале помимо синусоидальной составляющей, присутствуют более высокие гармоники. В таком случае говорят, имеет место нелинейного искажения входного сигнала. В этом режиме также в исходном состоянии в коллекторе протекает ток, но его величина меньше, чем в режиме «А». Его К.П.Д. составляет 60 – 70%.

Третий режим работы транзистора называется режимом «С». Он характеризуется тем, что его рабочая точка находится в начале координат, т.е. в исходном состоянии ток коллектора отсутствует. В этом режиме амплитуда входного сигнала значительная и не должна выходить за верхнюю границу линейного участка проходной характеристики. На рис. 22 показана работа транзистора в режиме «С».

 

 

 

Рис. 22 Работа транзистора в режиме «С».

 

Как видно, через транзистор проходит только одна полуволна входного сигнала. Помимо этого, из-за нелинейности проходной характеристики происходит искажение синусоидальности сигнала в начале и в конце полупериода. Чтобы уменьшить нелинейных искажений, такой режим работы транзистора применяется в двухтактных усилителях. Из-за отсутствия тока в коллекторе в исходном состоянии такие усилители обладают К.П.Д. до 85%.

 

Цепи смещения в усилительных каскадах

Как было рассмотрено выше, в режимах «А» и «В» в исходном состоянии в транзисторе должны протекать токи некоторой величины. Так как в этом случае рабочая точка смещается из нулевого положения (режим «С») в некоторое другое, то эти токи называют токами смещения, а цепи, создающие эти токи называют цепями смещения. Существует несколько цепей (схем) смещения. Во всех случаях решается задача по созданию определённой величины тока базы., т.к. появление тока базы приводит к появлению токов в коллекторе и эмиттере, что определяет положение рабочей точки транзистора.

Схема смещения с фиксированным током базы. Имеют место два вида схем смещения – с дополнительным и без дополнительного источника Э.Д.С.

а) схема смещения с дополнительным источником Э.Д.С. Такая схема представлена на рис. 23.

 

 

Рис.23 Схема смещения с фиксированным током базы с дополнительным источником (а) и без дополнительного источника (б).

 

Как видно из схемы, начальный или нулевой ток базы создаётся с помощью дополнительного источника Е_б. Полагая, что источник входного сигнала имеет малое входное сопротивление, то уравнение для цепи базы в соответствии с вторым законом Кирхгофа имеет вид:

Е_б = I_б0 R_б + U_б0.

Значения начального напряжения и тока базы определяется из входной характеристики, а величина R_б находится из этого уравнения.

Схема смещения без дополнительного источника Э.Д.С. представлена на рис.23 (б,в).

Для начального базового тока уравнение по второму закону Кирхгофа принимает вид:

Е_к = I_б0 R_б + U_б0

Как и в прежней схеме, значения начального напряжения и тока базы определяется из входной характеристики, а величина R_б находится из этого уравнения.

Одним из заметных дестабилизирующих факторов режима работы транзистора является температура окружающей среды, т.е. температура нагрева транзистора. Повышение температуры ведёт к увеличению тока базы, а значит и к увеличению тока коллектора, что приводит к смещению рабочей точки транзистора.

Рассмотренные схемы обладают низкой температурной стабилизацией положения рабочей точки и обеспечивают рабочий режим в пределах 20 – 30⁰. Большую температурную стабилизацию обеспечивают схемы с фиксированным напряжением на базе.

 

Схемы смещения с фиксированным напряжением на базе представлены на рис.25.

 

Рис.25 Схема смещения с фиксированным напряжением на базе

 

 

Из схемы видно, что напряжение на базе относительно эмиттера равно падению напряжения на резисторе R₂.

 

ТЕМПЕРАТУРНАЯ СТАБИЛИЗАЦИЯ РАБОЧЕЙ ТОЧКИ.

В реальных условиях эксплуатации РПУ температура окружающей среды и мощности, рассеиваемые на транзисторе приводят к нагреву транзистора до значительных температур (70⁰ – 120⁰ С). Это вызывает увеличение токов в цепях транзистора, что вызывает смещение рабочей точки и изменение режима работы транзистора.

Для устранения этого не желательного явления в усилителях предусматривается ряд схемных решений. На рис. 25,б показано, как эта задача решается с помощью термосопротивления, которое ставится в место обычного резистора.

Одно из схемных решений называется коллекторная температурная стабилизация рабочей точки транзистора (рис.25.1). При увеличении температуры транзистора увеличивается ток коллектора, что приводит к увеличению напряжения на коллекторном сопротивлении. Это вызывает уменьшение напряжения на коллекторе относительно эмиттера. Последнее ведёт к уменьшению базового тока, что вызывает уменьшению коллекторного тока, т.е. возвращению его к прежнему значению. Это схемное решение обеспечивает температурную стабилизацию при температуре до 70⁰ С.

Рис. 25.1 Коллекторная температурная стабилизация рабочей точки

транзистора.

 

При более высоких температурах применяется эмиттерная температурная стабилизация рабочей точки транзистора (рис. 25.2).

 

Рис. 25.2 Эмиттерная температурная стабилизация рабочей точки транзистора.

 

 

Она состоит в том, что в схеме смещения с фиксированным напряжением на базе (рис. 25,а) в цепь эмиттера включается дополнительно резистор R_Э. С помощью его создаётся отрицательная обратная связь по цепи эмиттер – база.

Рассмотрим подробнее механизм стабилизации режима работы транзистора при изменении температуры. Для этого запишем уравнение по второму закону Кирхгофа для контура, состоящего из R2, база – эмиттер транзистора и R_Э. Обходим этот контур по часовой стрелке и получаем уравнение:

Из этого уравнения находим напряжение на базе:

.

При повышении температуры, как известно, увеличивается ток в транзисторе, а значит увеличивается и эмиттерный ток. Это приводит к увеличению напряжения U_RЭ0. Из последнего уравнения видно, что это приводит к уменьшению напряжения на базе, что вызывает прикрытие транзистора и уменьшение базового, коллекторного и эмиттерного токов. Транзистор возвращается к исходному режиму.

Как было сказано, введение в цепь эмиттера резистора R_Э приводит к созданию отрицательной обратной связи по цепи эмиттер – база. Как известно, отрицательная обратная связь ведёт к уменьшению коэффициента передачи любого четырёхполюсника, в нашем случае, ведёт к уменьшению коэффициента усиления транзистора. В транзисторе имеют место постоянные и переменные составляющие токов и напряжений. Для устранения отрицательной обратной связи по переменной составляющей напряжения (напряжение сигнала) параллельно резисторы R_Э включается конденсатор С_Э. Итак, конденсатор С_Э предназначен для устранения отрицательной обратной связи по переменной составляющей напряжения в цепи эмиттер – база.

 

 

РЕЗИСТИВНЫЙ ОДНОКАСКАДНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ ПО

СХЕМЕ С ОБЩИМ ЭМИТТЕРОМ

Схема усилителя (рис. 26) выполнена на биполярном транзисторе типа р-п-р. Назначение большинства элементов были рассмотрены выше. Конденсаторы С_р1 и С_р2 называются разделительными. Они предназначены для не пропускания постоянного напряжения во входную цепь и в цепь нагрузки. Под R_u понимается внутреннее сопротивление источника входного сигнала.

Рис.26 Резистивный однокаскадный усилитель по схеме с общим эмиттером.

 

Процесс прохождение сигнала через усилитель показан ниже с помощью графиков.

На базу транзистора (рис. 27) подаётся синусоидальное напряжение. Под действием этого напряжения появляется базовый ток. На графике выбран режим «А», поэтому ток базы имеет также синусоидальный вид.

 

Рис.27 Построение осциллограммы тока базы при синусоидальном

базовом напряжении.

 

Графический анализ прохождения сигнала через усилитель показан на рисунке 28. Как видно, анализ выполняется на семействе выходных характеристик транзистора с динамической характеристикой. Выбирается режим работы усилителя. В рассматриваемом случае выбран также режим «А» (рабочая точка расположена в середине линейного участка динамической характеристики). Перпендикулярно динамической характеристике строится ось для построения осциллограммы тока базы и на ней строится найденная выше осциллограмма тока базы. Далее для каждого момента времени берётся значение тока базы и переносится на динамическую характеристику. Для данного тока базы, как показано на графике, строится осциллограмма напряжения на коллекторе относительно эмиттера.

Совершенно аналогично можно построить осциллограмму выходного сигнала и для других известных режимов – «В», «С».

Графический способ анализа позволяет осуществить численный анализ усилителя, когда берётся конкретный транзистор с конкретными характеристиками.

 

Рис. 28 Построение осциллограммы коллекторного напряжения при известном базовом токе.

 

Из графика видно, что напряжение на коллекторе противофазно току базы и входному сигналу. В этом случае говорят, что однокаскадный усилитель обладает инвертирующими свойствами.

На рисунке 29 представлена схема замещения усилителя с учётом схемы замещения транзистора. В диапазоне среднего интервала полосы пропускания усилителя считается, что сопротивления разделительных конденсаторов малы и они не учитываются в схеме замещения.

 

Рис. 29 Схема замещения резистивного усилителя на биполярном

транзисторе, включённом по схеме с общим эмиттером.

 

Построение схемы замещения происходит при условии, что внутреннее сопротивление источника Е_К равно нулю. Для того, чтобы полностью обеспечить это условие, параллельно источнику Э.Д.С. включается конденсатор достаточно большой ёмкости (10 – 20 мкФ) – на схеме не показан.. Это приводит к тому, что в схеме замещения оказываются параллельно включёнными резисторы R₁ – R₂ и R_К - R_Н.

Обозначим:

, ,

Входное сопротивление транзистора, с учётом коллекторного сопротивления и сопротивления нагрузки, определяется по формуле:

.

Из формулы видно, что с увеличением h₂₁ (коэффициента усиление по току) входное сопротивление транзистора уменьшается.

С учётом записанных соотношений и, исходя из схемы замещения, находим входное сопротивление усилителя:

.

Исходя из сказанного для входного сопротивления транзистора, следует, что увеличение коэффициента усиления по току транзистора приводит к уменьшению входного сопротивления усилителя.

Частотные свойства усилителя определяются частотными свойствами транзистора. На рисунке 30 представлены частотные свойства биполярного транзистора, включённого по схеме с ОЭ и ОБ. Видно, что частотный диапазон у транзистора с ОЭ не значителен. Максимальная частота работы транзистора определяется его предельной частотой по току. Предельной частотой усиления по току ( или )называется частота, при которой коэффициент усиления по току ( или ) уменьшается в раз (на 3 дБ) по отношению к своему значению на низких частотах. На рис.30 показано определение предельной частоты для транзистора, включенного по схеме с О. Б. () и с О. Э. ().

Рис. 30 Частотные свойства биполярного транзистора,

включённого по схеме с ОЭ и с ОБ.

 

Основные характеристики усилителя с общим эмиттером:

1. Позволяет получить наибольший коэффициент усиления по напряжению по сравнению с другими схемами.

2. Имеет не высокое входное сопротивление и относительно высокое выходное сопротивление.

3. Имеет узкий диапазон частот, в котором обеспечивается равномерное усиление по сравнению с усилителем по схеме с общей базой.

4. Вносит фазовый сдвиг выходного сигнала на 180⁰ относительно входного сигнала в диапазоне рабочих частот (где сопротивление разделительных конденсаторов мало).

 

РЕЗИСТИВНЫЙ ОДНОКАСКАДНЫЧЙ УСИЛИТЕЛЬ

ПО СХЕМЕ С ОБЩИМ КОЛЛЕКТОРОМ

 

На рис. 31 представлена схема резистивного усилителя на транзисторе, включённом по схеме с общим коллектором. Эта схема больше известна как эмиттерный повторитель. В исходной схеме это не совсем очевидно, но это будет хорошо видно в схеме замещения (рис. 32). Назначение элементов в схеме полностью совпадает с тем, что было рассмотрено выше.

Рис. 31 Схема резистивного однокаскадного усилителя на биполярном транзисторе, включённом о схеме с общим коллектором.

 

В схеме замещения не учитываются разделительные конденсаторы, т.к. их сопротивление в интервале пропускаемых частот пренебрежимо мало.

Рис. 32 Схема замещения резистивного усилителя на биполярном

транзисторе, включённом по схеме с общим коллектором.

 

Из схемы замещения видно, что входной сигнал подаётся на базу относительно коллектора и выходной сигнал снимается с эмиттера относительно коллектора, что и позволяет считать эту схему «с общим коллектором». Схема строится с учётом того, что источник Э.Д.С. имеет нулевое сопротивление для переменной составляющей сигнала.

Рассмотрим свойства этой схемы.

Входное сопротивление транзистора с учётом цепи эмиттера и нагрузки определяется по формуле:

,

 

где .

Обозначим:

.

Полное входное сопротивление усилителя с учётом резисторов R₁ и R₂ определяется по формуле:

.

Из полученных соотношений видно, что при увеличении коэффициента усиления по току входное сопротивление возрастает. В практических схемах входное сопротивление транзисторного каскада (без учёта R₁ и R₂) достигает 200 – 300 кОм при сопротивлении R_Э=10 кОм в режиме холостого хода. Это значит, что эмиттерный повторитель обладает высоким входным сопротивлением.

Выходное сопротивление определяется, как известно, при замкнутых входных выводах. Как видно из схемы замещения, все её элементы оказываются включёнными параллельно. Величина сопротивления r_б не значительная, т.к. под этим сопротивлением понимается омическое сопротивление тела базы. Поэтому, не смотря на высокие сопротивления других элементов, выходное сопротивление эмиттерного повторителя составляет 100 – 200 Ом, что на много меньше, чем в схемах с ОЭ и ОБ.

Коэффициент передачи по напряжению оценим с помощью второго закона Кирхгофа. По этому закону входное напряжение будет падать на r_б и на параллельно соединённых выходных элементах, величины сопротивлений которых много больше (кОм) сопротивления r_б (единицы Ом). Это приводит к тому, что основная часть входного напряжения падает на выходных элементах схемы и не значительная часть на сопротивлении r_б. Из сказанного очевидно, что выходное напряжение несколько меньше входного и коэффициент передачи по напряжению эмиттерного повторителя меньше единицы. Обычно

 

К_u= 0,9 – 0,9995.

Барьерная ёмкость базы С_б мала, т.к. она находится под прямым напряжением. Это значит, её сопротивление велико и она не блокирует сопротивление базы, а значит, она не изменяет спектра сигнала, проходящего через усилитель. Поэтому сигнал на выходе полностью повторяет входной сигнал. Отсюда и появилось наименование этой схемы, как эмиттерный повторитель.

Коэффициент усиления по току определим из соотношения:

.

Так как коэффициент усиления по току много больше единицы, то, очевидно, что коэффициент усиления по мощности также больше единицы.

Основные характеристики эмиттерного повторителя:

1. Высокое входное сопротивление, значение которого достаточно стабильно.

2. Малое выходное сопротивление.

3. Большой коэффициент усиления по току.

4. Стабильный коэффициент усиления по напряжению, близкий к единице.

5. Отсутствие в рабочем диапазоне частот фазового сдвига между входным и выходным напряжениями.

Эмиттерный повторитель применяется для согласования низкоомной нагрузки с высокоомным выходом усилителя включённого по схеме с ОЭ или с ОБ.

 

 

РЕЗИСТИВНЫЙ ОДНОКАСКАДНЫЧЙ УСИЛИТЕЛЬ

ПО СХЕМЕ С ОБЩЕЙ БАЗОЙ

Схема усилительного каскада на биполярном транзисторе п-р-n типа во включении с общей базой (ОБ) показана на рис. 33. Полная эквивалентная схема для переменных составляющих токов и напряжений в рабочем диапазоне частот для данного каскада имеет вид, представленный на рис. 34. Опираясь на эту эквивалентную схему, можно провести подробный анализ работы усилительного каскада с ОБ в режиме малого переменного сигнала и вывести выражения для вычисления его основных характеристик.

 

 

 

Рис. 33 Схема усилительного каскада с ОБ

 

С_Р1, С_Р2 — разделительные конденсаторы (являются элементами межкаскадных связей, предотвращают проникновение постоянной составляющей сигнала с выхода одного каскада усиления на вход другого, могут использоваться для коррекции частотных характеристик);

С_Э — блокировочный конденсатор (исключает действие цепи делителя на резисторах R1,R2 в рабочей полосе частот усилителя);

С_Е — фильтрующий конденсатор (предотвращает проникновение переменной составляющей сигнала в цепи питания).

 

 

Рис. 34 Эквивалентная схема для усилительного каскада с ОБ

Входное сопротивление эквивалентной схемы на рис. 34 определяется параллельным включением резистора в цепи эмиттера и входного сопротивления транзистора :

, где .

Уравнение Кирхгофа для переменного сигнала в точке Э (эмиттер транзистора VТ1) имеет вид:

Отсюда получаем:

.

 

.

Сопротивление эмиттера составляет десятки Ом, поэтому при параллельном соединении результирующее сопротивление будет меньше меньшего.

Сравнивая с сопротивлением транзистора при включении с ОЭ очевидно, что во включении с ОБ этот же транзистор имеет более чем на порядок меньшее входное сопротивление и составляет 20 …. 100 Ом..

Кроме того, отметим, что высокий входной ток усилительного каскада с ОБ обусловливает еще одно несколько нестандартное применение данного вида включения транзистора. Речь идет об использовании каскадов с ОБ в качестве динамической нагрузки различных схем. Подключая такую нагрузку, иногда можно значительно улучшить параметры усилителей, построенных по схеме с ОЭ или с ОК.

Выходное сопротивление эквивалентной схемы на рис. 34 определяется при коротком замыкании входа. Его величина определяется параллельно соединёнными сопротивлениями эмиттера и базы, которые соединены последовательно с сопротивлением коллектора. Последние соединены параллельно с резистором . Учитывая, что коллекторное сопротивление определяется сопротивлением закрытого коллекторного перехода, его величина велика и составляет сотни килом. Поэтому выходное сопротивление усилителя определяется резистором :

.

Коэффициент усиления по току находится как отношение токов выходной и входной цепей. Учитывая, что ток коллекторной цепи всегда меньше тока эмиттерной цепи, становится очевидным, что коэффициент усиления в этой схеме по току меньше единицы.

Коэффициент усиления по напряжению . Для получения в каскаде с ОБ значительного усиления по напряжению необходимо, чтобы он работал на достаточно высокое сопротивление нагрузки. И чем выше будет это сопротивление, тем большее усиление можно получить. На практике в качестве такой высокоомной нагрузки часто используют эмиттерный повторитель. Следует помнить, что повышение коэффициента усиления неизбежно приводит к падению устойчивости усилительного звена, которая в случае схемы с ОБ и так достаточно мала. Поэтому всегда приходится следить за соблю­дением разумного равновесия между двумя этими факторами, компенсируя по мере надобности тот из них, который проявляется чересчур сильно. Например, чрезмерное усиление можно подавить путем введения цепей отрицательной обратной связи, а низкоомную нагрузку подключить через согласующую цепь.

Коэффициент усиления по мощности . На практике при конструировании широкополосных усилителей в схемах с ОБ достижим коэффициент усиления, сравнимый, а иногда и больший, чем в аналогичных усилителях с ОЭ. Для узкополосных усилителей эффективнее все-таки оказываются решения с ОЭ.

Основные характеристики усилителя с О.Б:

1. Имеет малые нелинейные искажения.

2. Низкое входное и высокое выходное сопротивление.

3. Коэффициент по току меньше единицы.

4. Коэффициент усиления по напряжению и мощности определяется величиной нагрузки и может достигать значений близких к значениям в схеме с О Э.

5. Хорошие частотные и переходные характеристики.

 

ИЗБИРАТЕЛЬНЫЕ УСИЛИТЕЛИ

Выше были рассмотрены усилители с широкой полосой пропускания. Их полоса пропускания определяется частотными свойствами транзистора, т.е. его полосой пропускания.

Избирательные усилители имеют узкую полосу пропускания. Их ещё называют селективными усилителями. В узкополосных избирательных усилителях селекция сигнала осуществляется параллельным резонансным контуром. Поэтому такие усилители ещё называют резонансными усилителями.

Резонансные усилители.

В резонансных усилителях транзистор чаще всего включается по схеме с общим эмиттером (О.Э.).

В зависимости от места включения резонансного контура различают усилители с последовательным и параллельным включением резонансного контура.

На рис. 35 представлена схема резонансного усилителя с последовательным включением контура.

Рис.35 Схема резонансного усилителя с последовательным включением контура.

В такой схеме параллельный контур включается в коллекторную цепь транзистора. Все остальные элементы схемы предназначены для тех же целей, которые были рассмотрены выше. Недостатком этой схемы является то, что через катушку контура протекает постоянный ток, определяющий положение рабочей точки транзистора. При наличии магнитного сердечника в катушке это может привести к насыщению магнитного потока катушки в рабочем режиме.

Последнее вызовет нелинейные искажения сигнала, т. е. появление дополнительных высоко частотных гармоник в сигнале.

От этого недостатка свободен резонансный усилитель с параллельным включением контура рис. 36.

 

Рис. 36 Резонансный усилитель с параллельным включением

контура.

 

Такое подключение контура вызывает более высокую стабильность его настройки. Полоса пропускания в таких усилителях определяется полосой пропускания контура.

Виды связи резонансного усилителя с последующими каскадами.

Различают следующие виды связи:

- трансформаторная;

- автотрансформаторная;

- емкостная.

 

 

МНОГОКАСКАДНЫВЕ УСИЛИТЕЛИ

В тех случаях, когда один каскад усилителя не обеспечивает на своём выходе необходимое для нагрузки значение тока, напряжения или мощности, «каскадно» к нему подключаются необходимое количество каскадов. Такой усилитель называется МНОКАСКАД -

НЫМ (рис. 37).

 

 

Рис. 38 Функциональная схема многокаскадного усилителя

 

При построении многокаскадных усилителей решается задача обеспечения хорошего согласования между каскадами с целью, как известно, обеспечения передачи максимума мощности от одного каскада к другому. Эта задача решается с помощью элементов, которые обеспечивают эту связь и которые определяют вид межкаскадной связи.

Имеют место следующие виды межкаскадной связи:

- резистивно - емкостная связь;

- трансформаторная и автотрансформаторная связь.

 

Усилители с резистивно – емкостной связью.

На рис. 38 представлена схема двухкаскадного резистивного усилителя с резистивно-емкостной связью.

 

Рис. 38 Схема двухкаскадного резистивного усилителя с резистивно –

емкостной связью.

 

Этот вид связи является наиболее простым и компактным. На рис. 39 представлен вид (характер поведения) АЧХ двухкаскадного резистивного усилителя, с резистивно-емкостной связью.

 

Рис. 39 АЧХ для резистивного усилителя с резистивно-емкостной связью.

 

Завал характеристики в окрестности низких частот () объясняется тем, что на низких частотах сопротивление разделительных конденсаторов заметно и на них происходит падение некоторой части напряжения. Завал характеристики на высоких частотах в окрестности частоты вызван частотными свойствами транзистора, включённого по схеме с общим эмиттером. Действительно (рис. 29), при высоких частотах сопротивление конденсатора С_эб становится малым и через него происходит закорачивание входного сигнала.

 

Повтор рис. 29 Схема замещения биполярного транзистора, включённого по схеме с общей базой.

Резистивно-емкостная связь применяется и в резонансных усилителях (рис. 40).

 

Рис. 40 Резонансный усилитель с резистивно-емкостной связью.

 

Другим видом межкаскадной связи является трансформаторная связь (рис. 41).

 

Рис. 41 Двухкаскадный усилитель с трансформаторной связью.

 

Этот вид связи позволяет осуществлять согласование между каскадами, когда их входные и выходные сопротивления заметно разнятся.

На рис. 42 показан характер поведения АЧХ такого усилителя.

 

Рис. 42 Вид АЧХ двухкаскадного усилителя с трансформаторной

связью.

 

Завал на низких частотах объясняется, как и выше, наличием разделительных конденсаторов. На верхних частотах, при определённых значениях индуктивности рассеивания трансформатора, имеет место подъём АЧХ. Это связано с тем, что в схеме замещения усилителя с трансформатором, коллекторная барьерная ёмкость первого транзистора (рис. 29) включена последовательно с индуктивностью трансформатора. Это образует последовательный контур, резонансная частота которого может совпадать с частотой усиливаемого сигнала.

Автотрансформаторная связь состоит в том, что сигнал снимается не с вторичной обмотки трансформатора, а с части первичной обмотки (рис. 43).

 

Рис. 43 Схема усилителя с автотрансформаторной связью

 

На рис. 43 два вида автотрансформаторной связи. Здесь транзистор подключён к контуру по автотрансформаторной связи и выходной сигнал снимается с индуктивности контура по автотрансформаторной схеме.

 

Трансформаторная связь в выходных каскадах (в усилителях мощности).

Как отмечалось, с помощью трансформаторной связи можно осуществлять согласование между каскадами с различными выходным и входным сопротивлениями. В выходных каскадах РПУ нагрузка часто имеет малое сопротивление. Такой нагрузкой являются, например, звуко воспроизводящие устройства (динамики). Поэтому, в выходных каскадах часто применяется трансформаторный вид связи.

Выходные каскады подразделяются на однотактные и двухтактные.

Однотактный усилитель представлен на рис. 44. Такие усилители называются ещё усилителями мощности.

Рис. 44 Схема выходного однотактного усилителя мощности.

 

От транзистора будет получена максимальная мощность, если он будет нагружен на оптимальное сопротивление. Оно определяется как отношение максимального значения напряжения на коллекторе к максимальному значению тока коллектора. Это есть не что иное, как выходное сопротивление транзистора при максимальном значении мощности на нём.

.

Из условия согласования, которое состоит в равенстве выходного сопротивления транзистора входному сопротивлению нагрузки, приведённой к первичной обмотке трансформатора, требуемое значение коэффициента трансформации определяется по формуле:

,

где .

Определяя из справочных данных максимальные значения тока и напряжения коллектора транзистора, и при известной величине нагрузки, определяется необходимый коэффициент трансформации.

Рассмотренный усилитель имеет ряд недостатков:

1.Он должен работать только в режиме А, т.к. в других режимах будут иметь место нелинейные искажения сигнала. Это значит что в нём большие потери по постоянному току и, значит, низкий К.П.Д.

2. Вид АЧХ совпадает с АЧХ на рис. 42, т.е. высоко частотные гармоники будут усиливаться сильнее, что приведёт к изменению спектра сигнала.

3. Из-за подмагничивания магнитопровода выходного трансформатора постоянным током увеличиваются нелинейные искажения выходного сигнала при скачках величины входного сигнала.

От этих недостатков свободны двухтактные усилители.

Двухтактные усилители применяются в тех случаях, когда мощность, развиваемая одним транзистором не достаточна. Двухтактный усилитель содержат два одинаковых транзистора, работающих в одинаковых режимах (рис. 45). Каждый из транзисторов со своими элементами составляет плечо каскада. Резисторы R₃ и R₄ обеспечивают необходимое смещение на базе каждого транзистора. Постоянное напряжение, падающее на резисторе R₄, через вторичную обмотку трансформатора прикладывается к базе соответствующего транзистора, аналогично, как в транзисторе VT₁. Резисторы R_б1 и R_б2 предназначены для установки тока в базе. Резистор R_Э2 обеспечивает отрицательную обратную связь по постоянному току, а конденсатор С_Э2 устраняет её по переменному току. Как видно, эти элементы выполняют такие же функции, как элементы R_Э1 и C_Э1 в предстоящем однокаскадном усилителе. Как видно, каждое плечо, взятое в отдельности, представляет собой обычный каскад усиления мощности с трансформаторным выходом и трансформаторным входом.

Вторичная обмотка трансформатора первого усилителя имеет вывод от средней точки. Это приводит к тому, что базовые токи смещения каждого транзистора, протекая в противоположные стороны от средней точки, создают противоположно направленные магнитные потоки, которые взаимно уничтожаются. Это обеспечивает отсутствие постоянного магнитного потока в магнитопроводе первого трансформатора. Аналогично объясняется отсутствие постоянного магнитного потока и во втором трансформаторе.

 

Рис. 45 Схема выходного двухтактного усилителя мощности.

 

Наличие средней точки во вторичной обмотке первого трансформатора необходимо для подачи на базы транзисторов двух равных по величине, но противоположных по фазе напряжений. Указанная полярность напряжений на вторичных обмотках за каждый полупериод (полярность второго полупериода указана в скобках) показывает, что при одном полупериоде будет открыт один транзистор, а при другом – второй.

Коллекторные цепи транзисторов подключены к первичной обмотке выходного трансформатора, которая имеет среднюю точку. При открытом одном транзисторе ток будет протекать по одной половине этой обмотки, а при открытом втором транзисторе ток будет протекать по второй половине обмотки. В каждом полупериоде на вторичной обмотке выходного трансформатора будет наводиться Э.Д.С. с новой полярностью. Это легко проследить по показанным на схеме полярностям напряжений для каждого полупериода.

Одним из важных свойств этого усилителя является то, что он может работать в режиме «С». В этом режиме его К.П.Д. составляет не менее 70%.

 

 

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЧАСТОТЫ

Как отмечалось выше, простейшей конструкцией РПУ являются приёмники прямого усиления. Их достоинство состоит в простоте конструкции и схемного решения. Однако они обладают рядом серьезных недостатков. Они не обеспечивают приемлемые показатели качества приёма сигналов на относительно высоких частотах, т.к. оказывается не возможным выделение одного радиоканала. Это связано с тем, что с увеличением частоты принимаемого сигнала увеличивается полоса пропускания резонансного контура:

.

Кроме этого при увеличении частоты принимаемого сигнала падает усилительная способность усилительных элементов (транзисторов) и расширяется полоса пропускания резонансных контуров. Поэтому принятие сигналов на высоких частотах (МГц – вый диапазон) становится не возможным.

Из сказанного возникает мысль о необходимости снижения частоты сигнала на каком-то этапе усиления сигнала в РПУ. Это выполняется в РПУ с преобразованием несущей частоты принимаемого сигнала без изменения параметров модулирующего сигнала. Процесс изменения несущей частоты в РПУ осуществляется с помощью устройства, который называется смесителем. На рис. 46 представлена функциональная схема РПУ с преобразованием частоты.

 

 

Рис. 46 Функциональная схема РПУ с преобразованием частоты.

 

РПУ с преобразованием несущей частоты называют супергетеродинными приёмниками. Они, как следует из рис. 46, содержат:

- преселектор, который включает входную цепь (ВЦ) и усилитель радио частот (УРЧ), выполненный на резонансном усилителе;

- смеситель, состоящий из гетеродина (генератора малой мощности) и преобразователя частоты;

- тракт промежуточной частоты, включающий усилитель промежуточной частоты (УПЧ), выполненный на резонансном усилителе, и детектор;

- усилитель мощности (УМ).

 

Принцип преобразования частоты

Преобразователь частоты – это устройство, осуществляющее перенос спектра частот несущего сигнала из одной области частот в другую без изменения характера модуляции. На рис. 47 показано преобразование амплитудно-модулированного сигнала, где изменяется только частота несущего сигнала, а закон амплитудной модуляции остаётся неизменным.

 

.

.

 

Рис. 47 Преобразование исходного (а) амплитудно-модулированного сигнала в сигнал с меньшей частотой с сохранением вида модуляции (б).

 

В результате преобразования несущее колебание изменяется по частоте, а характер модуляции остаётся прежним. Новое значение частоты называется промежуточным.

Для преобразования частоты используется элемент с нелинейной В.А.Х. на который подаются одновременно сигналы с колебаниями на двух разных частотах. Одно колебание на частоте сигнала, а другое колебание на частоте вспомогательного генератора, который называется гетеродин. Такие устройства называются смесителями. Структурная схема преобразователя частоты представлена на рис. 48.

 

 

Рис. 48 Структурная схема преобразователя частоты.

 

Преобразование частоты осуществляется с помощью нелинейного элемента, положение рабочей точки которого меняется под действием гетеродина. Допустим, что нелинейный элемент имеет ВАХ квадратичного характера (рис. 49):

.

Рис. 49 Модуляция крутизны нелинейного элемента

 

В каждой точке ВАХ крутизна характеристики (S), являющаяся производной от неё, определяется по формуле:

Из формулы видно, что крутизна S линейно зависит от приложенного напряжения (рис. 49).

Напряжение генератора, приложенное к нелинейному элементу, состоит из напряжения гетеродина и некоторое смещение . В результате, напряжение, приложенное к нелинейному элементу, имеет вид:

.

Под действием этого напряжения крутизна ВАХ данного нелинейного элемента будет изменяться в соответствии с характером изменения данного напряжения. Следовательно, при косинусоидальном напряжении крутизна S изменяется также по косинусоидальному закону, содержит постоянную составляющую и первую гармонику (рис. 49):

,

где S₀ – постоянная составляющая крутизны нелинейного элемента;

S₁ – амплитуда первой гармоники крутизны нелинейного элемента.

Так как характеристика крутизны линейная, то, очевидно, что частота изменения крутизны равна частоте сигнала гетеродина.

Учитывая, что крутизна S эквивалентна понятию коэффициента передачи для линейного устройства, ток на выходе нелинейного элемента, при воздействии на его вход входного сигнала, определяется выражением:

.

Пусть входной сигнал имеет вид:

,

где амплитуда, частота и фаза входного сигнала.

Подставляем в выражение для тока значения для крутизны и входного сигнала и выполняем очевидные преобразования:

Как видно, спектральный состав сигнала на выходе нелинейного элемента содержит три частоты – частота сигнала, частота равная сумме частоты гетеродина и сигнала и частота равная разности частот гетеродина и сигнала. Фильтр, стоящий на выходе нелинейного элемента может быть настроен на одну из этих частот. Из сказанного выше следует, что из этих трёх сигналов выбирается сигнал с самой низкой частотой, т.е. сигнал с разностью частот. И так, в качестве полезного сигнала выбирается сигнал:

.

Согласно последней формуле, амплитуда полезной составляющей выходного тока пропорциональна амплитуде сигнала U_c, следовательно, при преобразовании частоты закон изменения амплитуды сигнала (амплитудная модуляция) сохраняется. Фаза тока так же соответствует фазе входного сигнала, т.е. при преобразовании частоты фазовая модуляции сохраняется.

 

В качестве нелинейных элементов используются транзисторы, диоды (выпрямительные, туннельные) и варикапы на нелинейных участках их В.А.Х. На рис. 50 показана упрощённая схема смесителя на биполярным транзистором с общей базой.

 

 

 

Рис. 50 Упрощённая схема смесителя с биполярным транзистором с общей базой.

 

Как известно, ВАХ входной характеристики биполярного транзистора, включённого по схеме с общим эмиттером, на начальном участке представляет собой квадратичную параболу (рис. 18). Этот участок ВАХ и используется при построении смесителя. Напряжение гетеродина не выходит за пределы квадратичного участка этой характеристики, что обеспечивает изменение крутизны этого участка характеристики по гармоническому закону.

Несущая частота на выходе смесителя, равная разности частоте гетеродина и частоте входного сигнала, называется промежуточной частотой () и имеет постоянное значение при любой частоте входного сигнала.

.

В современных РПУ она равна 465 кГц.

Частота принимаемого сигнала имеет различные значения в диапазоне РПУ. Поэтому, для обеспечения постоянства промежуточной частоты необходимо, чтобы частота гетеродина была перестраиваемой в соответствии с изменением частоты принимаемого сигнала. Это отображено на функциональной схеме рис. 46.

На рис. 51 показана схема смесителя на биполярном транзисторе. Гетеродин может быть выполнен на отдельном транзисторе по известным схемам или на том же транзисторе, что и смеситель.

 

 

 

Рис. 51 Схема смесителя на биполярном транзисторе с отдельным гетеродином.

 

ДЕТЕКТОРЫ

 

Детектором называется устройство в РПУ, предназначенное для преобразования высокочастотного модулированного сигнала в модулирующий сигнал. На выходе детектора должен появиться сигнал по форме максимально приближённым к модулирующему сигналу.

В зависимости от вида модуляции различают амплитудные, фазовые и частотные детекторы. Каждый из названных типов детекторов имеет некоторое разнообразие схемных решений.

Рассмотрим амплитудный детектор (АД). Для построения АД чаще всего применяются диоды. Наиболее широко применяется АД, выполненный на основе одного диода. Схема его представлена на рис. 52.

 

Рис. 52 Схема амплитудного диодного детектора.

 

Как видно, к диоду подключены нагрузка R_Н и параллельно с ней электролитический конденсатор С_д. Ёмкость конденсатора достаточно велика и составляет около 20 мкФ. Такая ёмкость может быть получена только на электролитическом конденсаторе.

Работа АД демонстрируется осциллограммой на рис. 53.

 

Рис. 53 Процесс детектирования амплитудно модулированного сигнала.