Основные свойства двухконтурно-го отражательного ППУ можно выявить на основе анализа его эквивалентной схемы, представленной на рис. 3.25. Коэффициент усиления схемы определяется выражением (3.52) либо из (3.53). С учетом того, что в отражательном усилителе сопротивления Rr\\ R„ физически совмещены и соответствуют R„, имеем
где Z — комплексное сопротивление сигнального контура.
Входное сопротивление нелинейной емкости Zc на частоте сигнала в данном типе ППУ определяется выражением
(3.72)
где Z,a_ = rt + jXa — полное комплексное сопротивление контура разностной частоты.
Отсюда, учитывая элементы эквивалентной схемы, получим выражение
Рис. 3.24
для полного сопротивления контура сигнальной частоты:
Подставляя (3.73) в (3.53), найда полосу пропускания усилителя в слу чае, когда его резонансная система н частотах fc и f_ образована одиноч ными резонансными контурами:
(3.7£
Рис. 3.25
Здесь Qc, Qo, — нагруженные добротности сигнального контура и контура разностной частоты.
Рассмотрим шумовые характеристики ППУ с помощью рис. 3.25. Считаем, что дробовые шумы в усилителе отсутствуют, поскольку ПД смещен в обратном направлении и основными источниками шумов являются резисторы. Кроме того, положим, что температура внутреннего сопротивления источника сигнала равна Т0, а сам усилитель находится при температуре Ту, отличной от Т0. Шумы контура разностной частоты, пересчитанные в сигнальный контур, определяются выражением
(3.76)
Тогда, учитывая определение дифференциального коэффициента шума (3.61) и связь его с шумовой температурой (2.35), получим
Таким образом, шумовая температура двухконтурного отражательного ППУ зависит от соотношения частот сос и G)_, а также от термодинамической температуры, при которой находится усилитель.
Рассмотрим подробнее зависимость (3.77) с учетом того, что ППУ должен обладать достаточно большим коэффициентом Кр- В этом случае Y «1 и R0 да R_ — г, и на основании (3.77) найдем выражение для от-
')• (3.77)
носительной шумовой температуры ППУ:
(3.78)
Вводя понятие критической частоты параметрического диода о>кр =
М / 1 \
= -~которая физически соот-
ветствует максимальной частоте одноконтурного ППУ, преобразуем формулу (3.78) к виду
(3.79)
Обозначим а = со_/а)с, b = сокр/сос. Тогда
(3.80)
Графики этой зависимости приведены на рис. 3.26. Минимальное значение шумовой температуры ППУ при известных Ту, о)с и сокр соответствует минимуму функции (3.80), который
имеет место при а0Пт == \^Ь2 + 1 — — 1. Таким образом, оптимальное соотношение сигнальной и разностной частот
откуда с учетом равенства (йн = == сос + о)_ получаем оптимальное с точки зрения минимизации шумовой температуры ППУ значение частоты генератора накачки:
(3.82)
На основании выражений (3.81) и (3.79) находим шумовые характеристики оптимизированного двухконтурного ППУ, работающего на отражение:
При выполнении условия ыкр > > (ос минимум функции (3.80) является пологим и выбор частоты генератора накачки не столь критичен с точки зрения получения минимальной шумовой температуры ППУ.
В случаях, когда требуемое значение Гш при Ту = Т0 (неохлаждае-мый усилитель) не достигается, единственной возможностью снижения шумовой температуры является охлаждение ППУ до низких температур. Обычно для этих целей используют жидкий азот (Т = 78 К). Однако при этом существенно усложняется конструкция ППУ и ухудшаются его эксплуатационные параметры. Типовое значение Тт ППУ, охлаждаемых до температуры Г = 78 К, составляет 20—40 К.
§ 3.5. Усилители на туннельных диодах
Основными достоинствами усилителей на туннельных диодах (УТД), обусловливающими их применение в радиоприемных устройствах СВЧ, являются достаточно низкий коэффициент шума при высокой широкополосное™, малые потребляемые мощности от источника питания и возможность реализации в гибридно-интегральном исполнении. В настоящее время УТД обеспечивают работу в диапазоне частот до 20 ГГц и при усилении 13—20 дБ характеризуются коэффициентом шума 5—6 дБ в полосе 10—15 % от несущей.
Эффект отрицательного сопротивления в УТД создается за счет выбора рабочей точки на падающем участке вольт-амперной характеристики туннельного диода (ТД), показанной на рис. 3.27, а. Значение отрицательного сопротивления в этом случае определяется наклоном вольт-амперной характеристики:
(3.85)
и составляет для реальных приборов несколько десятков ом.
Эквивалентная схема ТД предст лена на рис. 3.27, б. Параметры j С, гь, La, Сп означают соответствен отрицательное дифференциальное противление диода, определяемое ражением (3.85), емкость открыт p-n-перехода, сопротивление пот прибора, индуктивность ввода и кость корпуса, которой в ряде с чаев пренебрегают. Для устране1 низкочастотных релаксаций внутр нее сопротивление источника т ния ТД следует выбирать так, чт
R=Ri + rt<]-R -l (3.
Обычно выбирают R < 0,3 |—Л Проанализируем основные се ства отражательного УТД, экву лентная схема которого показана рис. 3.28. Для определения уело устойчивой работы усилителя нео<! димо рассмотреть частотную зав! мость полного сопротивления < нального контура:
Очевидно, УТД будет работать устойчиво, если на частоте усиливаемого сигнала выполняются условия положительности общего сопротивления контура и его резонанса, т. е.
(3.88)
откуда
(3.89)
Подставляя (3.89) в (3.87), получаем условие устойчивой работы УТД на частоте сигнала:
(3.90)
Кроме того, для исключения высокочастотных релаксаций требуется выполнение условия R_ > R0 + ' г,. Отсюда окончательно получаем
(3.91)
Коэффициент усиления УТД можно рассчитать по формуле (3.52) или (3.53). На резонансной частоте имеем
(3.92)
Если резонансная система УТД представляет собой одиночный колебательный контур, то, принимая на границах полосы пропускания Кр — = 0,5/Сро, найдем следующее выражение для полосы пропускания:
Для расчета коэффициента шума УТД определим основные источники шумов. Очевидно, ими являются дробовые шумы открытого р-д-перехода и тепловые шумы сопротивления потерь rs. Считая, что УТД находится при комнатной температуре, и используя формулу Шотки для определения уровня шума открытого р-л-перехода, оценим уровень дробовых шумов с помощью генератора шумовой ЭДС, последовательно включенного в контур УТД:
Определяя по формуле Найквиста уровень тепловых шумов сопротивлений R0, rs и подставляя эти выражения в соотношение для коэффициента шума, окончательно получим
Отсюда следует, что коэффициент. шума УТД тем меньше, чем меньше значения / и л,.
Конструктивно УТД выполняют весьма разнообразно в зависимости от диапазона работы и требований, предъявляемых к ним по габаритам и массе. Один из примеров построения УТД в гибридно-интегральном исполнении показан на рис. 3.29, где элементы стабилизирующей цепи /?ст, Ссг, LCT обеспечивают устойчивость усилителя, a L и Сбл — его настройку на требуемую частоту,
ГЛАВА 4
усилители промежуточной частоты
§ 4.1. Основные показатели и типы упч
Усилители промежуточной частоты, как это следует из структурной схемы супергетеродинного приемника (см. рис. 1.5), работают на фиксированной частоте и обеспечивают усиление принимаемого радиосигнала до уровня, необходимого для эффективной работы демодулятора. Одновременно УПЧ формирует амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) линейного (до демодулятора) тракта приемного устройства, которая определяет его избирательность- по соседнему каналу.
В зависимости от назначения радиотехнической системы, в состав которой входит приемное устройство, и условий ее работы к показателям УПЧ предъявляются определенные требования. Основными качественными показателями УПЧ являются:
1. Номинальное значение промежуточной частоты /п, соответствующее средней (квазирезонансной) частоте настройки усилителя. Значение /п в современных радиоприемниках может изменяться в широких пределах в зависимости от ширины спектра принимаемых радиосигналов.
Для повышения помехозащищенности приема по каналу прямого прохождения установлен международный стандартный ряд значений /п и одновременно наложен запрет на их использование в качестве несущих. Так, например, в системах радиовещания с AM значение /п обычно выбирают равным 465 кГц, а с ЧМ — 10,7 МГц. В приемниках РЛС используют более высокие промежуточные частоты — 30, 60 МГц и выше.
2. Полоса пропускания УПЧ, определяемая допустимыми частотными искажениями принимаемого радиосигнала и обычно оцениваемая по уровню 3 дБ (0,707). Типовые полосы про-
пускания Пол УПЧ составляют в Я диовещательных приемниках АМ-сип налов 8—10 кГц, приемниках ЧМ-сиг налов 250 кГц, приемниках РЛС 1—10 МГц.
3. Коэффициент усиления по напряжению
(4.1;
где \К\ — модуль коэффициент? усиления; срп — угол фазового сдвига.
На частоте /п модуль коэффициент* усиления \К\ = К0, следовательно уравнение нормированной амплитуд но-частотной характеристики УПЧ можно записать в виде
(4.2;
В зависимости от назначения радиоприемного устройства значение Kt составляет 10*—10е.
4. Частотная избирательность под которой понимают способное™ УПЧ ослаблять воздействие на уси ливаемый сигнал помех, частоты кото рых расположены за полосой про пускания УПЧ. Избирательность оп ределяется формой АЧХ усилителя В зависимости от конкретной помехо вой обстановки (наличие широкопо лосных или узкополосных помех) 1 форме АЧХ предъявляются различ ные требования. Для радиовещатель ных приемников характерной явля ется помеха от соседней по несущей частоте радиостанции. Степень ее ос лабления характеризуют избиратель ностью по соседнему каналу
(4.3;
где \Кс.к\ — модуль коэффициента усиления УПЧ на частоте, соответствующей соседнему каналу.
Нередко частотную избирательность оценивают коэффициентом пря-моугольности
который характеризует степень приближения формы реальной АЧХ к идеальной (прямоугольной). Уровень 1/5/ обычно выбирают равным 0,1 или 0,01.
5. Устойчивость работы УПЧ, характеризующая способность усилителя сохранять при воздействии дестабилизирующих факторов (например, температуры) свои основные параметры в заданных пределах.
Перечисленные показатели не исчерпывают всех требований, предъявляемых к характеристикам УПЧ радиоприемных устройств различного назначения. Так, например, УПЧ радиолокационных приемников должны обеспечивать нормальное функционирование в широком динамическом диапазоне (100—120 дБ) входных сигналов, что обусловливает специфи-фическое построение УПЧ на основе логарифмирования усиливаемых колебаний.
В приемниках диапазона СВЧ, в качестве первых каскадов которых используется диодный смеситель, к УПЧ предъявляется требование минимального коэффициента шума, поскольку
= Яш.см + (ЯшУПЧ — 1)//\"/>СМ)(4.5)
где /Сш.см- Крем — коэффициент шума и коэффициент передачи мощности смесителя.
Типичные значения этих величин составляют: Хш.см - 5-4-10, КРси = = 0,15ч-0,3. С учетом этого из (4.5) при 20 %-ном ухудшении Кш за счет УПЧ находим
/Сшупч < 1 + 0,2/(ш.см/СЯсМ) (4.6)
т. е. значение Кт УПч должно быть порядка 1 дБ, что обеспечить достаточно трудно.
В приемных устройствах фазовых систем предъявляются высокие требо-
вания к линейности фазочастотной характеристики (ФЧХ) УПЧ и ее стабильности. Примеры подобных специфических требований к параметрам усилителя промежуточной частоты можно было бы продолжить.
УПЧ представляет собой многокаскадный усилитель, содержащий частотно-избирательные цепи. Реализовать такой усилитель можно двумя способами:
1) постепенным накоплением усиления и избирательности в многокаскадной схеме, что следует из выражения для коэффициента передачи кас-кадно соединенных четырехполюсников:
\K\~\KiK, ••• КпЫКМ) х
x(/C20/S/2)...(AWS/n). (4-7)
Структурная схема усилителя, выполненного по алгоритму (4.7), показана на рис. 4.1. Усилитель содержит каскадно соединенные усилительные приборы (УП) и избирательные цепи (ИЦ) и называется УПЧ с распределенной избирательностью. Частотная избирательность в таких схемах может формироваться на основе использования LC-элементов (одиночные контуры, связанные контуры и т. д.) в качестве цепей межкаскадной связи и активных /?С-фильт-ров;
2) разделением функций усиления и частотной избирательности. Из (4.7) следует
\К\ = (К10КЫ... Km)/(SI,Sl2... S/„)= = KJSI. (4.8)
Алгоритм (4.8) реализуется структурными схемами, изображенными на рис. 4.2, а, б. Усилители промежуточной частоты, выполненные по этому способу, включают в себя мно-
гокаскадный усилитель (МУ) и фильтр сосредоточенной избирательности (ФСИ) и называются УПЧ с сосредоточенной избирательностью. Для ослабления действия интенсивных помех, а также снижения вероятности возникновения перекрестной модуляции более предпочтительной является вторая схема. Частотно-избирательные функции в таких усилителях выполняются различными многорезона-торными фильтрами (пьезоэлектрическими, пьезомеханическими и т. д.), а функции усиления — апериодическими или слабо избирательными многокаскадными усилителями.
В настоящее время УПЧ выполняются обоими способами. УПЧ с распределенной избирательностью позволяют более полно использовать усилительный потенциал активных приборов и обеспечивают необходимое усиление при меньшем числе транзисторов. УПЧ с сосредоточенной избирательностью позволяют реализовать высокую стабильность характеристик усилителя, они просты в настройке и эксплуатации.
§ 4.2. УПЧ с распределенной избирательностью
Схемотехнические особенности УПЧ с распределенной избирательно-с т ь ю связаны прежде всего с широким использованием в них специализированных и универсальных усилительных микросхем, в частности, операционных усилителей, дифференциальных каскадов, широкополосных универсальных усилителей (серий К228, К235, К174, К175), а также различных многофункциональных микросхем (например, К237ХК6— УПЧ, ограничитель, К174УП2- -ло-
гарифмический усилитель, К526ПС1 аналоговый перемножитель и др.).
Вместе с тем при повышенных тр бованиях к динамическому диапаз ну, коэффициенту шума, частотно]\ диапазону усилители промежуточж частоты проектируют на дискретнь биполярных и полевых транзистор, и конструктивно оформляют их в ви микросборок.
Принципиальные схемы отдел ных каскадов УПЧ на одиночных р зонансных контурах практически отличаются от рассмотренных ран (см. рис. 3.13, 3.15) схем УРЧ, одна УПЧ в целом состоит, как правило, трех-четырех каскадов и более, тс да как УРЧ содержит один-два кг када.
Во многих практических случа: преобразование частоты в приемн ках происходит с многократным пон жением, что позволяет в конечш (а иногда и в предоконечной)ступе) преобразования выполнить УПЧ: основе избирательных /?С-каскад (сейчас уже освоен диапазон чаете составляющих единицы-десятки м га герц).
Варианты схем УПЧ различают типом усилительного прибора и о мой его включения (ОЭ, ОИ, О ОЭ—ОБ и др.), видом резонансной i пи (одиночный контур, два связанн! контура, активная /?С-цепь) и ее св зи с последующим каскадом (ав1 трансформаторная, емкостная, тра! форматорная).
В качестве примера на рис. 4 .3, a iif ведена принципиальная схема И/ К175УВ4 (дифференциальный каскад), а рис. 4 .3, б, в —- каскады УПЧ на ее ochoi В каскаде УПЧ по схеме рис. 4 .3, б тр; зисторы 7',. Тя (см. рис. 4 .3, а) включе по каскодной схеме ОЭ—ОБ соответств! но. Если транзистор 7', в усилении
участвует, а используется как генератор стабильного тока (ГОТ), то транзисторы Т.2, Га можно включить по каскодной схеме ОК—ОБ, но при этом снижается примерно в два раза крутизна, а следовательно, и усиление. Для повышения усиления в каскаде УПЧ по схеме рис. 4.3, в транзисторы Т\,? ■■>• Тя (см. рис. 4.3, а) включены соответственно по схеме ОЭ—ОЭ—ОБ (таким образом можно использовать и другие микросхемы дифференциальных каскадов, если у них есть выводы от базы и эмиттера транзистора — ГСТ)*. Как видно из рис. 4.3, а, в, входной сигнал подается между эмиттером и базой транзистора Т,, усиленный иг-нал снимается с промежутка эмиттер — коллектор и подается между эмиттером и базой |ранзистора 7%. Таким образом, ни один из электродов транзистора У, не заземлен, причем общим электродом для входа и выхода является эмиттер, т. е. транзистор Г, включен по схеме ОЭ. Аналогично, у транзистора 7", эмиттер является общим для входа и выхода, следовательно, он также включен по схеме ОЭ. Транзистор Т3 включен по схеме ОБ. Схематично включение всех трех транзисторов показано на рис. 4.3, г, где через Y обозначена общая проводимость резисторов между эмиттером транзистора Г, и землей. Такое включение позволило реализовать на частоте 100 МГц коэффициент усиления около 24 дБ.при полосе пропускания 18 МГц, тогда как
Схема предложена Г. В. Уточкиным.
при включении по схеме ОЭ—ОБ (рис. 4.3, б) усиление на 10 дБ меньше при прочих равных условиях. Примерно такая же разница в усилении получается при использовании микросхемы К228УВ2 на частоте 30 МГц.
Четырехтранзисторные микросхемы усилителей (235УР2, 235УРЗ) позволяют реализовать включение транзисторов, например, по схемам ОЭ—ОЭ—ОБ—ОК. ОК—ОБ—ОК—ОБ, при этом достигается регулирование усиления на 86 дБ. Ряд полезных сведений об УПЧ на интегральных микросхемах, а также примеры микросборок УПЧ приведены в [27].
Схема каскада УПЧ на активной RC- цепи показана на рис. 4.4. УПЧ представляет собой каскадно соединенные активные фильтры нижних (ФНЧ) и верхних (ФВЧ) частот второго порядка. Активным элементом ФНЧ является усилитель с отрицательной обратной связью на транзисторах Tt, Т2. Его коэффициент усиления К as 1 -f 7 ?7 IRk- Фильтрующие свойства зависят не только от двухзвенного ФНЧ 7?,С2 — /?2С3, но и от обратной связи через конденсатор С2, которая позволяет получить чебышевскую характеристику ФНЧ и, следовательно, повысить крутизну скатов АЧХ. ФВЧ построен аналогично на транзисторах 7 *3, Tt, путем соответствующей перестановки элементов R и С. Диапазон рабочих частот такого УПЧ на СВЧ-тран-зисторах KT3I09, KT3I15 достигаем 100 МГц и более.
Формирование АЧХ и ФЧХ в УПЧ с распределенной избирательностью можно наглядно пояснить, если графически представить комплексный коэффициент усиления УПЧ с помощью полюсов и нулей на плоскости комплексной частоты s = о + + /ш или комплексной расстройки q — г| -f- /|. Покажем это сначала на примере однокаскадного УПЧ с одиночным резонансным контуром.
Согласно (3.20) комплексный коэффициент усиления такого усилителя
Переписав это выражение в oi торном виде
K(q) = Kn/(l + q),
видим, что K(q) имеет один пр(полюс qv= —1, лежащий на дей тельной оси плоскости комплек расстройки (рис. 4.5, а). Нетр показать, что полоса пропуск усилителя П0>7 определяется ди: ром окружности, центр которой положен в начале координат, а ра равен значению полюса. Действи' но, для точек пересечения окруж* с осью /£ имеем | - ±1. Из раве! £ — 2A///,|dMK, справедливого для больших частотных расстроек L = /о — /, находим, что точкам i
сечения отвечают расстройки А/ = = /о^экУ?- Следовательно, разность частотных расстроек, соответствующих концам диаметра окружности на рис. 4.5, а, 2Д/ = /0^Эн- Но, как известно, величина f0daK является полосой пропускания одиночного резонансного контура n0i7. Таким образом, показано, что один полюс на плоскости комплексной расстройки можно реализовать усилителем с одиночным контуром.
Рассмотрим более сложные формы АЧХ. Для наиболее часто используемых АЧХ в УПЧ расположение полюсов и нулей известно. В частности, полюсы максимально плоской (баттер-вортовский) АЧХ располагаются на окружности на равных угловых расстояниях друг от друга, при этом диаметр окружности равен полосе пропускания усилителя по уровню l/j /2. Положение полюсов на окружности находят из условия 
Для т — 3 расположение полюсов показано на рис. 4.5, б.
При изменении положения полюсов (горизонтальный сдвиг к оси /£) путем умножения их вещественных частей на постоянный множитель х < <С 1 можно получить АЧХ чебышев-ского типа (с равными пульсациями). При этом окружность переходит в эллипс (рис. 4.5, в).
Для получения пульсаций между уровнем 1 и i/j/l 4- 6 (рис. 4.5, г)
необходимо выбрать х — th а, где а 1/marcsh (1/|/б).
Полоса пропускания усилителя с чебышевской характеристикой по уровню 1/J 2 равна полосе пропускания усилителя с максимально плоской характеристикой, а полоса по уровню 1/|/ 1 + б составляет 2 £07/cha.
Анализ показывает, что чебышевской и максимально плоской АЧХ соответствует нелинейная ФЧХ. Для многих применений (в частности, для усиления радиоимпульсов) желателен УПЧ с линейной ФЧХ. Линейную же ФЧХ имеет цепь, передаточная характеристика которой содержит полюсы, расположенные на равном расстоянии вдоль линии, параллельной оси j\ (рис. 4.6, а). Чем больше число этих полюсов и меньше расстояния между ними, тем лучше линейность ФЧХ.
Однако АЧХ цепи, согласно рис. 4.6, а, имеет пологие скаты. Некоторое улучшение может дать расположение полюсов на окружности на равных расстояниях по вертикали друг от друга (рис. 4.6, б), так как при этом используются положительные свойства максимально плоской АЧХ и передаточной функции с линейной ФЧХ.
ФЧХ, близкую к линейной, имеет усилитель с гауссовой формой АЧХ. Хорошее приближение к гауссовой форме АЧХ дает цепь с полюсом т-й кратности, расположенным на действительной оси (рис. 4.6, в). Практически такая цепь может быть реализована /я-каскадным усилителем (т > 5) на идентичных одиночных" контурах.
Наконец, в некоторых применениях требуются УПЧ с почти прямоугольной АЧХ и линейной ФЧХ или со специальными видами ФЧХ, например ФЧХ с квадратичной характеристикой, обеспечивающей линейно зависящую от частоты задержку сигнала. В таких УПЧ сначала создают требуемую АЧХ, а затем путем добавления соответствующих корректирующих цепей, не изменяющих АЧХ
(так называемые фазовые звенья), реализуют нужный вид ФЧХ.
Полюсно-нулевые представления наглядно показывают, как можно реализовать различные виды АЧХ и ФЧХ усилителей с помощью отдельных, развязанных друг от друга каскадов усилителей, каждый из которых реализует определенную совокупность полюсов и нулей.
Как отмечалось, один полюс на плоскости комплексной расстройки достаточно просто реализуется обычным резонансным усилительным каскадом на одиночном колебательном контуре. Поэтому, например, усилитель с максимально плоской характеристикой (см. рис. 4.5, б) можно выполнить путем каскадного соединения трех резонансных усилителей, каждый из которых реализует свой полюс («расстроенная тройка»). Аналогично создаются усилители на «расстроенных парах», «расстроенных пятерках» и т. д.
Однако гораздо эффективнее с точки зрения повышения стабильности АЧХ и увеличения усиления УПЧ при заданной полосе пропускания оказывается реализация АЧХ согласно рис. 4.5, б, путем каскадного соединения усилителя на одиночном контуре (центральный полюс) и усилителя на связанных контурах (два крайних полюса). Далее будет показано, что АЧХ усилителя на двух связанных контурах действительно имеет два комплексно-сопряженных полюса на плоскости комплексной расстройки [см. (4.17)1.
Отметим также, что при наличии нулей в комплексном коэффициенте усиления появляются дополнительные возможности формирования требуемых АЧХ и ФЧХ. В частности, нули, расположенные вблизи оси /£, могут сформировать резкий провал в АЧХ, увеличить крутизну ее скатов, обеспечить нулевой наклон ФЧХ на резонансной частоте и т. д. Практически нули реализуют с помощью усилителя на двух.связанных контурах при съеме напряжения с первичного контура, включением или последова-
