Усилитель радиочастоты (УРЧ)

Усилителем радиочастоты (УРЧ) называется каскад, осуществляющий усиление принимаемых сигналов на их собственных частотах, без изменения спектра.

Функции УРЧ:

Обеспечение усиления сигнала по мощности или по напряжению

Обеспечение эффективной частотной избирательности РПУ

Обеспечение защиты цепи антенны от проникновения частоты гетеродина (в случае проникновения частоты гетеродина в цепи антенны, РПУ начинает работать как маломощный передатчик и будет создавать помехи близко расположенным РПУ).

План выполнения работы по этапу

Выбор схемы усилителя радиочастоты и его обоснование

Электрический расчет параметров элементов контура

Подбор параметров сопротивлений и емкостей

Определение оптимальной величины напряжения источника питания Е с применением функции Parameter Sweep

Определение режимов элементов схемы по постоянному току с применением функции DC Operating Point

Измерение АЧХ усилителя во всем диапазоне изменения емкости переменного конденсатора С с применением функции Parameter Sweep

Анализ влияния температуры окружающей среды в диапазоне от -20 до +60 на АЧХ усилителя с применением функции Temperature Sweep

Статистический анализ влияния производственных допусков элементов усилителя на его АЧХ с применением функций Worst Сase и Monte Carlo

Анализ устойчивости усилителя с применением функции Pole-Zero

Выбор схемы усилителя радиочастоты

В качестве УРЧ я выбираю схему с автотрансформаторной связью на полевых транзисторах, потому что такая схема обладает высоким входным сопротивлением, и не будет оказывать нежелательного влияния на входную цепь и антенну. Будет хорошо согласоваться с входной цепью с емкостной связью. Схема также не содержит трансформаторов

Схема УРЧ с автотрансформаторной связью на полевых транзисторах приведена на рисунке 2.2.1.

Рисунок 2.2.1 - Схема УРЧ с трансформаторной связью на полевых транзисторах.

Электрический расчет параметров элементов контура

Для схем УРЧ с автотрансформаторной связью должны выполняться следующие соотношения:

где Сf в нФ, fmin в МГц, в Rf кОм. Rf обычно выбирают в пределах 0,2-3,0 кОм.

Я возьму Rf =2 кОм. Следовательно, теперь я могу рассчитать Cf:

В итоге, я получил: Cf = 320 пФ, Rf=2 кОм

Подбор параметров элементов сопротивления и емкостей с учетом варианта задания

В качестве значения переменной емкости С я взял 100 пФ. Это значение соответствует резонансной частоте 3,2 МГц, поэтому мне нужно будет подобрать элементы схемы так, чтобы максимум АЧХ находился на этой частоте.

Экспериментально подобранные параметры:

L1a = 3,1 мГн; L1b = 3,1 мГн; R = 50 Ом; Rn = 3 кОм; С= 100 пФ

На рисунке 2.2.2 приведена АЧХ усилителя при подобранных значениях элементов

Рисунок 2.2.2 - АЧХ усилителя (при С=100 пФ)

приемник цепь частотный

Определение оптимальной величины напряжения источника питания Е с применением функции Parameter Sweep

Результаты моделирования приведены на рисунке 2.2.3 и в таблице 2.2.1.

Рисунок 2.2.3 - Изменение параметров устройства

Таблица 2.2.1 - Значения напряжения источника питания

Проанализировав семейство графиков я увидел, что увеличивать напряжение Е больше чем 20 В не имеет смысла (при этом напряжении находится максимум АЧХ из всего семейства), т.к. это не приводит к дальнейшему увеличению максимума АЧХ. Поэтому я беру значение напряжения источника E равным 20 В.

Определение режимов элементов схемы по постоянному току с применением функции DC Operating Point.

Результат анализа схемы с помощью функции DC Operation Point отражен в таблице 2.2.2. В этой таблице отражены значения всех токов и напряжений различных узлов схемы УРЧ. Получены значения напряжений во всех узлах схемы, при закороченных индуктивностях и разорванных емкостях.

Таблица 2.2.2 - результат анализа по постоянному току

В моем случае значение емкости будет изменяться от 32 до 100 пФ. При этом должна меняться резонансная частота УРЧ в рабочем диапазоне 3,2 - 7,5 МГц. Семейство АЧХ УРЧ при различных значениях емкости С приведено на рисунке 2.2.4.

Рисунок 2.2.4 - АЧХ усилителя при различных значениях емкости С

Анализ влияния температуры окружающей среды в диапазоне от -20до+60 на АЧХ усилителя с применением функции Temperature Sweep

Мне нужно посмотреть, как будет влиять изменение температуры на АЧХ усилителя. Семейство АЧХ для различных значений температур приведено на рисунке 2.2.5.

Рисунок 2.2.5 - Семейство АЧХ усилителя при различных значениях температуры.

Как видно из графика, температура практически не оказывает влияния на АЧХ усилителя, поэтому все графики наложились друг на друга и их невозможно различить. Это говорит о том, что изменение температуры не будет приводить к нарушению работы схемы.

Мне нужно будет рассмотреть, как будут влиять производственные допуски элементов на АЧХ усилителя. Рисунок 2.2.6 иллюстрирует, как будет изменяться АЧХ при допуске на элементы в 4%. Это я делаю с помощью функции Monte Carlo. Описание прохода отражено в таблице 2.2.3.

Рисунок 2.2.6 - Анализ влияния допусков элементов на АЧХ усилителя с помощью функции Monte Carlo

Таблица 2.2.3 - описание анализа Монте-Карло

Проанализировав эти данные, можно сделать вывод, что допуск элементов в 4% недопустим и оказывает значительное влияние на АЧХ усилителя.

Анализ схемы при помощи функции Worst Case отображен на рисунке 2.2.7, описание прохода проведено в таблице 2.2.4.

Рисунок 2.2.7 - Анализ влияния допусков элементов на АЧХ усилителя с помощью функции Worst Case.

Таблица 2.2.4 - Описание проходов анализа Worst Case

Проанализировав графики можно сделать вывод, что допуск элементов 1% практически не влияет на АЧХ усилителя и его резонансную частоту. Поэтому допуск в 1% допустим для данной схемы.

Анализ устойчивости усилителя с применением функции Pole-Zero

Нули и полюса передаточной функции представлены в таблице 2.2.5. Из этой таблицы видно, что нули и полюса имеют отрицательную вещественную часть, следовательно, система является устойчивой.

Таблица 2.2.5 - результат анализа нулей и полюсов

Выводы по разделу:

Перестройка частоты осуществляется конденсатором переменной емкости таким же, что используется во входной цепи. Полученный УРЧ отвечает всем необходимым требованиям, его характеристики не зависят от температуры в заданном диапазоне, почти не зависят от напряжения питания, следовательно, требования к источнику питания не строгие. Кроме того УРЧ был проверен на устойчивость, было оценено влияние допусков элементов на АЧХ усилителя.

Количественные характеристики этих требований различны для УРЧ различных диапазонов. 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. рис. Часть этого напряжения по цепям питания проникает в предыдущие каскады в частности во входные их цепи через элементы...

Поделитесь работой в социальных сетях

Если эта работа Вам не подошла внизу страницы есть список похожих работ. Так же Вы можете воспользоваться кнопкой поиск

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 К 0 = 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 К 0 = 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

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).

Рис.3.2 обеспечивающие режим по постоянному току (U ос 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 R ф 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.

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 Y 12 . 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 U вх на рис.3.4 и U 1 на рис.3.5 - это разные величины, так же как и U вых и U 2 .

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 (С 12 ), 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 γ, определяя его как

. (3.25)

Очевидно, что при γ =1 в каскаде отсутствует обратная связь (левая часть уравнения (3.4) равна нулю) и усилитель абсолютно устойчив, а при γ =0 выполняются условия самовозбуждения и усилитель превращается в генератор.

На практике обычно задают требуемое значение γ. 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 ξ = -1, получим:

. (3.27)

Поскольку в правой части обеспечены условия устойчивости, то и значение К 0 , 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 γ = 0,8…0,9. Для γ = 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 h 21 , малым входным сопротивлением по переменному току h 11 и как можно меньшим значением проходной емкости С 12 .

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.

Другие похожие работы, которые могут вас заинтересовать.вшм>
6657.		УСИЛИТЕЛИ И ГЕНЕРАТОРЫ НА ТРАНЗИСТОРАХ	44.93 KB
	Усилители электрического сигнала представляют собой устройства для его усиления по напряжению току или мощности за счет преобразования энергии источника питания в энергию выходного сигнала. усилители имеют входную цепь к которой подключается источник усиливаемого сигнала выходную цепь к которой подключается нагрузка потребитель усиленного сигнала а также цепь питания к которой подключается источник за счет энергии которого происходит усиление сигнала. Характер усиливаемого сигнала определяется его источником....
11950.		Висмутовые волоконные лазеры и усилители на двулучепреломляющих световодах с поляризованным выходным излучением для систем телекоммуникаций	152.45 KB
	Краткое описание разработки. Преимущества разработки и сравнение с зарубежными аналогами. Основное преимущество разработки в получении новых длин волн генерации в активных волоконных световодах. Форма внедрения разработки.

Добрый день уважаемый хабраюзер, я хочу рассказать тебе о основах построения усилителей звуковой частоты. Я думаю эта статья будет интересна тебе если ты никогда не занимался радиоэлектроникой, и конечно же она будет смешна тем кто не расстаётся с паяльником. И поэтому я попытаюсь расказать о данной теме как можно проще и к сожалению опуская некоторые нюансы.

Усилитель звуковой частоты или усилитель низкой частоты, что бы разобраться как он всё таки работает и зачем там так много всяких транзисторов, резисторов и конденсаторов, нужно понять как работает каждый элемент и попробовать узнать как эти элементы устроены. Для того что бы собрать примитивный усилитель нам понадобятся три вида электронных элементов: резисторы, конденсаторы и конечно транзисторы.

Резистор

Итак, резисторы у нас характеризуются сопротивлением электрическому току и это сопротивление измеряется в Омах. Каждый электропроводящий металл или сплав металлов имеют своё удельное сопротивление . Если мы возьмём проволоку определённой длинны с большим удельным сопротивлением, то у нас получится самый настоящий проволочный резистор. Для того что бы резистор был компактным, проволоку можно намотать на каркас. Таким образом у нас получится проволочный резистор, но он имеет ряд недостатков, поэтому резисторы обычно изготавливаются из металлокерамического материала. Вот так обозначаются резисторы на электрических схемах:

Верхний вариант обозначения принят в США, нижний в России и в Европе.

Конденсатор

Конденсатор представляет из себя две металлических пластины разделённые диэлектриком . Если мы подадим на эти пластины постоянное напряжение, то появится электрическое поле, которое после отключения питания будет поддерживать на пластинах положительный и отрицательный заряды соответственно.

Основа конструкции конденсатора - две токопроводящие обкладки, между которыми находится диэлектрик

Таким образом конденсатор способен накапливать электрический заряд. Эта способность накапливать электрический заряд называется электрическая ёмкость , что есть главный параметр конденсатора. Электрическая ёмкость измеряется в Фарадах. Что ещё характерно, это то что когда мы заряжаем или разряжаем конденсатор, через него идёт электрический ток. Но как только конденсатор зарядился, он перестаёт пропускать электрический ток, а это потому что конденсатор принял заряд источника питания, то есть потенциал конденсатора и источника питания одинаковые, а если нет разности потенциалов (напряжения), нет электрического тока. Таким образом, заряженный конденсатор не пропускает постоянный электрический ток, но пропускает переменный ток, так как при подключении его к переменному электрическому току, он будет постоянно заряжаться и разряжаться. На электрических схемах его обозначают так:

Транзистор

В нашем усилителе мы будем использовать самые простые биполярные транзисторы . Транзистор изготавливают из полупроводникового материала . Нужное для нас свойство это материала, - наличие в них свободных носителей как положительных, так и отрицательных зарядов. В зависимости от того каких зарядов больше, полупроводники различают на два типа по проводимости: n -тип и p -тип (n-negative, p-positive). Отрицательные заряды - это электроны, освободившиеся с внешних оболочек атомов кристаллической решетки, а положительные - так называемые дырки. Дырки - это вакантные места, остающиеся в электронных оболочках после ухода из них электронов. Условно обозначим атомы с электроном на на внешней орбите синим кружком со знаком минус, а атомы с вакантным местом - пустым кружком:

Каждый биполярный транзистор состоит из трёх зон таких полупроводников, эти зоны называют база, эмиттер и коллектор.

Рассмотрим пример работы транзистора. Для этого подключим к транзистору две батарейки на 1,5 и на 5 вольт, плюсом к эмиттеру, а минусом к базе и коллектору соответственно (смотрим рисунок):

На контакте базы и эмиттера появится электромагнитное поле, которое буквально вырывает электроны с внешней орбиты атомов базы и переносит их в эмиттер. Свободные электроны оставляют за собой дырки, и занимают вакантные места уже в эмиттере. Это же электромагнитное поле оказывает такое же воздействие на атомы коллектора, а так как база в транзисторе достаточно тонкая относительно эмиттера и коллектора, электроны коллектора достаточно легко проходят сквозь неё в эмиттер, причём в гораздо большем количестве чем из базы.

Если же мы отключим напряжение от базы, то никакого электромагнитного поля не будет, а база будет выполнять роль диэлектрика, и транзистор будет закрыт. Таким образом при подаче на базу достаточно малого напряжения, мы можем контролировать большее поданное напряжение на эмиттер и коллектор.

Рассмотренный нами транзистор pnp -типа, так как у него две p -зоны и одна n -зона. Так же существуют npn -транзисторы, принцип действия в них такой же, но электрический ток течёт в них в противоположную сторону, чем в рассмотренном нами транзисторе. Вот так биполярные транзисторы обозначаются на электрических схемах, стрелка указывает направление тока:

УНЧ

Ну что ж, попробуем спроектировать из этого всего усилитель низкой частоты. Для начала нам нужен сигнал который мы будем усиливать, это может быть звуковая карта компьютера или любое другое звуковое устройство с линейным выходом. Допустим наш сигнал с максимальной амплитудой примерно 0,5 вольта при токе 0,2 А, примерно такой:

А что бы заработал самый простой 4-х омный 10 ваттный динамик, нам нужно увеличить амплитуду сигнала до 6 вольт, при силе тока I = U / R = 6 / 4 = 1,5 A.

Итак, попробуем подключить наш сигнал к транзистору. Вспомните нашу схему с транзистором и двумя батарейками, теперь вместо 1,5 вольтовой батарейки у нас у нас сигнал линейного выхода. Резистор R1 выполняет роль нагрузки, дабы не было короткого замыкания и наш транзистор не сгорел.

Но тут возникают сразу две проблемы, во-первых наш транзистор npn -типа, и открывается только при положительном значении полуволны, а при отрицательном закрывается.

Во-вторых транзистор, как и любой полупроводниковый прибор имеет нелинейные характеристики в отношении напряжения и тока и чем меньше значения тока и напряжения тем сильнее эти искажения:

Мало того что от нашего сигнала осталась только полуволна, так она ещё и будет искажена:

Это есть так называемое искажение типа ступенька.

Чтобы избавиться от этих проблем, нам нужно сместить наш сигнал в рабочую зону транзистора, где поместится вся синусоида сигнала и нелинейные искажения будут незначительны. Для этого подают на базу напряжение смещения, допустим в 1 вольт, с помощью составленного из двух резисторов R2 и R3 делителя напряжения.

А наш сигнал входящий в транзистор будет выглядеть вот так:

Теперь нам нужно изъять наш полезный сигнал с коллектора транзистора. Для этого установим конденсатор C1:

Как мы помним конденсатор пропускает переменный ток и не пропускает постоянный, поэтому он нам будет служить фильтром пропускающим только наш полезный сигнал - нашу синусоиду. А постоянная составляющая не прошедшая через конденсатор будет рассеиваться на резисторе R1. Переменный же ток, наш полезный сигнал, будет стремиться пройти через конденсатор, так сопротивление конденсатора для него ничтожно мало по сравнению с резистором R1.

Вот и получился первый транзисторный каскад нашего усилителя. Но существуют ещё два маленьких нюанса:

Мы не знаем на 100% какой сигнал входит в усилитель, вдруг всё таки источник сигнала неисправен, всякое бывает, опять же статическое электричество или вместе с полезным сигналом проходит постоянное напряжение. Это может стать причиной не правильной работы транзистора или даже спровоцировать его поломку. Для этого установим конденсатор С2, он подобно конденсатору С1 будет блокировать постоянный электрический ток, а так же ограниченная ёмкость конденсатора не будет пропускать пики большой амплитуды, которые могут испортить транзистор. Такие скачки напряжения обычно происходят при включении или отключении устройства.

И второй нюанс, любому источнику сигнала требуется определённая конкретная нагрузка (сопротивление). По этому для нас важно входное сопротивление каскада. Для регулировки входного сопротивления добавим в цепь эмиттера резистор R4:

Теперь мы знаем назначение каждого резистора и конденсатора в транзисторном каскаде. Давайте теперь попробуем рассчитать какие номиналы элементов нужно использовать для него.

Исходные данные:

U = 12 В - напряжение питания;
U бэ ~ 1 В - Напряжение эмиттер-база рабочей точки транзистора;

Выбираем транзистор, для нас подойдёт npn -транзистор 2N2712

P max = 200 мВт - максимальная рассеиваемая мощность;
I max = 100 мА - максимальный постоянный ток коллектора;
U max = 18 В - макcимально допустимое напряжение коллектор-база / коллектор-эмиттер (У нас напряжение питания 12 В, так что хватает с запасом);
U эб = 5 В - макcимально допустимое напряжение эмиттер-база (наше напряжение 1 вольт ± 0,5 вольта);
h21 = 75-225 - коэффициент усиления тока базы, принимается минимальное значение - 75;

Рассчитываем максимальную статическую мощность транзистора, её берут на 20% меньше максимальной рассеиваемой мощности, дабы наш транзистор не работал на пределе своих возможностей:
P ст.max = 0,8*P max = 0,8 * 200мВт = 160 мВт;
Определим ток коллектора в статическом режиме (без сигнала), не смотря на что на базу не подаётся напряжение через транзистор всё равно в малой степени протекает электрический ток.
I к0 = P ст.max / U кэ , где U кэ - напряжение перехода коллектор-эмиттер. На транзисторе рассеивается половина напряжения питания, вторая половина будет рассеиваться на резисторах:
U кэ = U / 2;
I к0 = P ст.max / (U / 2) = 160 мВт / (12В / 2) = 26,7 mA;
Теперь рассчитаем сопротивление нагрузки, изначально у нас был один резистор R1, который выполнял эту роль, но так как мы добавили резистор R4 для увеличения входного сопротивления каскада, теперь сопротивление нагрузки будет складываться из R1 и R4:
R н = R1 + R4 , где R н - общее сопротивление нагрузки;
Отношение между R1 и R4 обычно принимается 1 к 10:
R1 = R4 *10;
Рассчитаем сопротивление нагрузки:
R1 + R4 = (U / 2) / I к0 = (12В / 2) / 26,7 mA = (12В / 2) / 0,0267 А = 224,7 Ом;
Ближайшие номиналы резисторов это 200 и 27 Ом. R1 = 200 Ом, а R4 = 27 Ом.
Теперь найдем напряжение на коллекторе транзистора без сигнала:
U к0 = (U кэ0 + I к0 * R4 ) = (U - I к0 * R1 ) = (12В -0,0267 А * 200 Ом) = 6,7 В;
Ток базы управления транзистором:
I б = I к / h21 , где I к - ток коллектора;
I к = (U / R н );
I б = (U / R н ) / h21 = (12В / (200 Ом + 27 Ом)) / 75 = 0,0007 А = 0,07 mA;
Полный ток базы определяется напряжением смещения на базе, которое устанавливается делителем R2 и R3 . Ток задаваемый делителем должен быть в 5-10 раз больше тока управления базы (I б ), что бы собственно ток управления базы не влиял на напряжение смещения. Таким образом для значения тока делителя (I дел ) принимаем 0,7 mA и рассчитываем R2 и R3 :
R2 + R3 = U / I дел = 12В / 0,007 = 1714,3 Ом
Теперь рассчитаем напряжение на эмиттере в состоянии покоя транзистора (U э ):
U э = I к0 * R4 = 0,0267 А * 27 Ом = 0,72 В
Да, I к0 ток покоя коллектора, но этот же ток проходит и через эмиттер, так что I к0 считают током покоя всего транзистора.
Рассчитываем полное напряжение на базе (U б ) с учётом напряжения смещения (U см = 1В):
U б = U э + U см = 0,72 + 1 = 1,72 В
Теперь с помощью формулы делителя напряжения находим значения резисторов R2 и R3 :
R3 = (R2 + R3 ) * U б / U = 1714,3 Ом * 1,72 В / 12 В = 245,7 Ом;
Ближайший номинал резистора 250 Ом;
R2 = (R2 + R3 ) - R3 = 1714,3 Ом - 250 Ом = 1464,3 Ом;
Номинал резистора выбираем в сторону уменьшения, ближайший R2 = 1,3 кОм.
Конденсаторы С1 и С2 обычно устанавливают не менее 5 мкФ. Ёмкость выбирается такой что бы конденсатор не успевал перезаряжаться.

Заключение

На выходе каскада мы получаем пропорционально усиленный сигнал и по току и по напряжению, то есть по мощности. Но одного каскада нам не хватит для требуемого усиления, так что придётся добавлять следующий и следующий… И так далее.

Рассмотренный расчёт довольно поверхностный и такая схема усиления конечно же не используется в строении усилителей, мы не должны забывать о диапазоне пропускаемых частот, искажениях и многом другом.

Апериодические УРЧ увеличивают лишь отношение сигнал/шум и чувствительность приемника. Наиболее часто их применяют в транзисторных приемниках прямого усиления на ДВ- и СВ-диапазонах; В качестве нагрузки апериодических УРЧ может

Рис.9. Схемы апериодических каскадов усилителей радиочастоты:

а) – резисторная; б) – трансформаторная.

служить дроссель, резистор или трансформатор. Резисторный каскад УРЧ (рис. 9. а ) прост в исполнении и настройке. В трансформаторных УРЧ (рис. 9.б ) облегчается согласование выхода одного каскада с входом последующего. Кроме того, трансформаторный каскад УРЧ можно легко переделать в рефлексный.

Резонансные УРЧ, обеспечивают усиление сигнала и повышают не только реальную чувствительность, но и избирательность по зеркальному каналу. Транзисторные резонансные УРЧ в диапазонах ДВ, СВ и KB собирают по схеме с ОЭ (рис. 10 ), а в УКВ-диапазоне - по схеме с ОБ.

Каскады УРЧ могут содержать один или два резонансных контура. Усилитель радиочастоты с одним контуром дает меньшее усиление, но более прост в изготовлении и настройке. Схемы с индуктивной связью контуров позволяют изменять связь и получать наибольшее усиление или лучшую избирательность. Изменением связи по диапазону можно несколько компенсировать неравномерность коэффициента передачи входных цепей.

Усилители радиочастоты УКВ-диапазона выполняют по каскадным схемам. Они имеют лучшие характеристики, чем обычные УРЧ.

По усилению каскодный усилитель эквивалентен одно каскадному усилителю с проводимостью прямой передачи первого транзистора и нагрузкой второго. Каскодная схема используется в усилителях диапазона метровых волн. Первый каскад схемы выгодно выполнять на полевом транзисторе, обладающем низким уровнем шумов и малой активной входной проводимостью, при этом будет меньше шунтироваться избирательная система приемника, включенная на входе каскодного усилителя. Во втором каскаде предпочтителен дрейфовый транзистор, включаемый по схеме с ОБ и обеспечивающий наибольший устойчивый коэффициент усиления.

Рис.10. Каскад усилителя радиочастоты.

При таком выполнении каскодной схемы усилителя повышается его коэффициент устойчивого усиления, существенно снижается уровень шумов, повышается избирательность тракта радиосигнала приемника, что является их преимуществом. Аналогичными преимуществами обладают каскодные схемы (низкий уровень шумов и высокий коэффициент устойчивого усиления) на электронных лампах, обычно триодах, включаемых по схеме общий катод - общая сетка.

Принцип супергетеродинного приема.
Детектирование и усиление сигналов низкой частоты.

УРЧ представляют собой активные частотно-избирательные каскады приемников, работающих на фиксированной частоте или в диапазоне частот. Они применяются для обеспечения высокой чувствительности радиоприемных устройств за счет предварительного усиления сигнала и его частотной селекции.

Основные требования и качественные показатели

1. Резонансный коэффициент усиления по напряжению

Или по мощности,

где G вх, G н - активные составляющие проводимостей входа и нагрузки усилителя.

2. Частотная избирательность - главным образом по зеркальному каналу супергетеродинных приемников (
).

3. Коэффициент шума УРЧ , который в значительной мере определяет способность приемника воспроизводить полезную информацию при малых уровнях принимаемого сигнала. С точки зрения минимального уровня шумов достаточно, чтобы коэффициент усиления по мощности УРЧ был на уровне 10-100, поэтому требуемое число каскадов обычно не превышает двух.

4. Устойчивость , характеризует отсутствие самовозбуждение усилителя.

Кроме того УРЧ по своим показателям должны обеспечивать усиление сигналов в определенном динамическом диапазоне с искажениями, не превышающими заданного уровня.

Учитывая, что УРЧ работает в режиме усиления слабых сигналов, будем считать усилительный прибор линейным активным 4-х полюсником.

Резонансный усилительный каскад умеренно высоких частот

В диапазоне умеренно высоких частот (f < 300 МГц) для описания свойств усилительных каскадов удобно использовать систему Y -параметров, в которой уравнение линейного 4-полюсника записывается в виде (5.1)

(5.1)

где , и,- напряжения и токи на входе и выходе 4-полюсника соответственно,

- параметры в режиме короткого замыкания по входу и выходу 4-полюсника.

Наиболее общая схема резонансного каскада может быть представлена в виде (Рис. 5.1).

На рисунке представлена схема резонансного усилителя, в которой к контуру L C частично подключены как выход транзистора VT 1 , так вход следующего каскада на транзисторе VT 2 . В обоих случаях применяется автотрансформаторная связь. Однако в таком усилителе указанные связи могут быть реализованы и другим известным способом, например, трансформаторным.

Элементы R 1 , R 2 , ,применяются для задания режима работыактивного элемента VT 1 по постоянному току. Необходимая фильтрация по питанию осуществляется фильтром R ф , C ф . Расчет этих элементов производится аналогично, как это делается для апериодических усилителей. Поэтому вопросы задания рабочей точки резонансных усилителей здесь не рассматриваются.

Независимо от типа связи усилительного прибора с резонансным контуром резонансный усилитель можно представить в виде следующей эквивалентной схемы (Рис. 5.2).

Из представленной эквивалентной схемы следует, что

(5.2)

При использовании двойной автотрансформаторной связи проводимость нагрузки может быть представлена как

, (5.3)

где,
.

Коэффициент усиления по напряжению можно получить, если использовать выражения (5.1) и (5.2). С учетом этих выражений можно получить

(5.4)

Из последнего выражения можно получить

(5.5)

Откуда получаем

, (5.6)

где - полная эквивалентнаяпроводимость контура.

Резонансные свойства каскада определяются частотной характеристикой проводимости
, а последняя соответствует резонансной характеристике колебательного контура LC . Эквивалентное сопротивление колебательного контура, включенного в коллекторную цепь транзистора можно представить следующим образом

Полное эквивалентное сопротивление контура
можно представить

, (5.8)

где
-обобщенная расстройка контура.

Коэффициент усиления каскада на резонансной частоте можно представить как

, (5.9)

где
.

- коэффициент трансформации от выхода первого активного элемента до входа следующего.

С учетом этого для резонансного каскада получим следующее выражение для коэффициента усиления

(5.10)

По структуре полученная формула соответствует формуле для определения коэффициента усиления апериодического каскада, только в качестве нагрузки в последнем используется резонансный контур.