книги / Радиоприемные устройства.-1

ОУ Ко > — -----

токи цепи обратной связи Д		’ А ’ можВ° записать следующую систему
уравнений:
	Ат*Л+*хА*-ухА-
	+			<4 ’6 4 >
	К= УэА +ЗД +
где	У —параметры цепи обратной связи.
	Напряжение */3 = “^ 0^ 2 »где		- коэффициент усиления ОУ. Так как
во	входной цепи операционного усилителя нет потребления тока, то второе
уравнение в (4.64) можно представить в виде О =				V W .
откуда коэффициент передачи ЛЛС-устройства равен
	U'	21
	tf(p ) =
	^ -	V	* .

Так как А ^ » 1, то из последнего выражения следует К (р) У /У ^ Таким образом, в случае использования в схеме, приведенной на рис. 4.36, а , операционного усилителя с большим усилением АЧХ АЯС-устройства зависит только от свойств пассивной цепи, которые могут быть сделаны фильтрующи­ ми, т. е. пригодными для использования в УРС РПУ. 6 процессе синтеза фильт­ рующей цепи необходимо потребовать ее реализации в виде ЯС-цепи.

Если при отрицательной обратной связи в структуре (см. рис. 4.36, а) в некоторой полосе частот вблизи / обеспечить малое значение коэффициента передачи пассивной цепи, то коэффициент передачи всего устройства в этой полосе будет значительно больше, чем за ее пределами. Поэтому для создания полосовой АЧХ необходимо включать в качестве пассивной ЯС-цепи заграж­ дающие системы.

О* |||||— *-о

1

о — I

На рис. 4.37, а показан широко используемый на практике частный слу­ чай общей структуры (см. рис. 4.36) с заграждающими цепями вида RC(a) ; на рис. 4.37,б, в —с мостовыми Г-образными; на рис. 4.37, г - с распределен­ ными параметрами на основе резистора R и конденсатора С^емкостгкоторо­ го равномерно распределена вдоль резистора; на рис. 4.37,6 —с двойными Т- образными.

При синтезе избирательных ARC-фильтров необходимо, как и в случае обычных избирательных цепей, стремиться к большой эквивалентной доброт­ ности Q3 устройства, что позволяет повысить избирательность УРС. Такое по­ ложение противоречит требованию устойчивости схемы к самовозбуждению. Поэтому, как правило, фильтры с заграждающими ЯС-цепями реализуются на относительно низких частотах (не более нескольких сотен килогерц).

Возможно использование избирательных ARC-фильтров с положительной обратной связью, для чего реализуется неинвертирующий вариант включений ОУ (см. рис. 4.36, б).

На рис. 4.38 приведена схема ЛДС-фильтра с так называемым мостом

Рис. 4.39

Вина в цепи положительной обратной связи. В подобных устройствах усили­ тель может не иметь большое К , что облегчает создание избирательных уст­ ройств на высоких частотах. Однако возникают трудности в достижении устойчивости работы устройства, что требует дополнительного анализа с по­ мощью известных методов исследования устойчивости линейных цепей (см. §4 .2).

Расширение частотного диапазона активных фильтров вынуждает созда­ вать новую компонентную базу - широкополосные высокочастотные операци­ онные усилители и разрабатывать эффективные принципы их использования. Перспективным для УРС является метод применения операционных усилите­ лей в качестве генератора тока. В таких усилителях удается уменьшить влия­ ние инерции, обусловленной зарядом паразитных емкостей большими напря­ жениями. Наиболее удобен усилитель, использующий принцип источника тока, управляемого током (ИТУТ), однако его схема сравнительно сложна, что вызывает трудности при ее реализации на высоких частотах. Поэтому обычно используют источники тока, управляемые напряжением (ИТУН), которые ме­ нее сложны и могут быть выполнены методами интегральной технологии.

Реализация высокоизбирательных ARC-фильтров, пригодных для работы в УРС, встречает пока все еще существенные трудности в достижении: а) высо­ кой добротности и, следовательно, высокой избирательности; б) малой чув­ ствительности резонансной характеристики к действию дестабилизирующих факторов. Особое внимание уделяется эквивалентной добротности, так как с этим параметром связаны не только изменения АЧХ1 усилителя, но и его склонность к самовозбуждению; в) большого динамического диапазона, так как даже относительно малые уровни помех в ARC-устройствах из-за большо­ го усиления приводят к проявлению нелинейных эффектов, что затрудняет их использование в преселекторах РПУ, работающих в условиях сложной элект­ ромагнитной обстановки; г) постоянства характеристик в широком диапазо­ не частот в процессе перестройки усилителя.

Одна из структур ARC-фильтра на основе ИТУН приведена на рис. 4.39.

Здесь цепи обратной связи, охватывающие операционные усилители DA1 и DA2, должны быть интегрирующего типа, так как другие виды цепей требуют использования дополнительных развязывающих активных элементов, что уменьшает частотный диапазон УРС. Усилитель на микросхеме DA3 служит для требуемого поворота фазы; с целью повышения стабильности отдельные ОУ охватываются цепями линейных отрицательных обратных связей. Возмож­ ны различные реализации схем ИТУН, одна из которых приведена на рис. 4.40 и содержит каскад с общим эмиттером (VT1) и динамическую нагрузку, имеющую малое сопротивление для постоянного тока и большое —для пере­ менного тока в выходной цепи. Транзисторы VT3-VT6 и резисторы R1 и R2 используются в цепях управления усилителя.

4.8. Усилители радиочастоты на приборах с ’’отрицательным ” сопротивлением

Регенерация потерь в колебательном контуре может осуществляться с по­ мощью двухполюсного электронного прибора, имеющего "падающий” участок

вольт-амперной характеристики i	= /(м ),н а котором дифференциальная про-
di	du	di
водимость (сопротивление) — ( —		) оказывается отрицательной, т. е.—^ <0
du	di	du

du

или — < 0. Подобные характеристики имеют ряд полупроводниковых при- di

боров, использующих различные физические эффекты (например, туннель­ ный) . Прибор на основе туннельного эффекта называется туннельным диодом (ТД) и предназначен для работы в диапазоне СВЧ. Вольт-амперная характери­ стика ТД i = f(u ) приведена на рис. 4.41. Квантово-механический характер процессов управления током ТД обусловливает их высокое быстродействие. Поэтому инерционность ТД в радиотехническом диапазоне волн определяется практические основном реактивными элементами модели ТД, а не скоростью переноса носителей.

Рис. 4.42

Прибор с ’’отрицательным” сопротивлением —R может быть включен в контур последовательно (рис. 4.42, а) или параллельно (рис. 4.42, б) , При по­ следовательном включении прибора в контур полное сопротивление потерь в нем R s падает, так как R s = г - | Лд | , где г - собственное сопротивление потерь контура. Это увеличивает эквивалентную добротность контура Qa = = со0/,/Л 2 , повышает избирательность и обеспечивает дополнительное усиле­ ние сигнала на частоте резонанса, так как выходное напряжение последова­

тельного контура U	= Q_ Е	, где Е А —входной сигнал.
При параллельном включении сопротивления /<ш в контур вносится по­
следовательное сопротивление		ДR** p 2/R	,где р	— волновое сопротивле-
ниеконтура; R m ~		Ш	Р2	0, что	обеспечивает	pe­
	Следовательно, ДД « ---- <
			rn		включения	’’от­
генерацию потерь, как и в. случае последовательного способа

рицательного ” сопротивления.

Для получения требуемой величины ’’отрицательного” сопротивления (—Я_) необходимо так включить источник питания постоянного тока EQ, что­ бы обеспечить рабочую точку на характеристике двухполюсника с заданным

dU

параметром R ------- < 0. Энергия, расходуемая от этого источника, служит

дdi

для компенсации потерь в контуре на частоте сигнала.

К н а г р у з к е

Если вольт-амперная характеристика электронного прибора i = f(u) явля­ ется неоднозначной по одной из переменных (например, в случае туннельного диода (см. рис. 4.41)), то необходимо принять меры по устранению влияния неоднозначности, так как ее появление может привести к возбуждению усили­ теля.

Как известно, рабочая точка в схеме питания двухполюсника от источника постоянного тока EQ с внутренним сопротивлением R Q определяется в ре­ зультате совместного решения уравнений:

i = f( u ) \ EQ —U + iRQ

(4.65)

Меняя наклон нагрузочной характеристики схемы питания (см. рис. 4.41), пересекающей оси в точках EQ и E J R Q , можно исключить решение (4.65), дающее три корня (например, соответствующие характеристике 11). Как сле­ дует из рис. 4.41, условием этого является выполнение в рабочей точке А не­ равенства

	di	1	1
К?	du		(4-66)
			* .
Выражение (4.66)		определяет требование к внутреннему сопротивлению

источника постоянного тока R Q.

Рассмотрим устойчивость и основные характеристики усилителя на основе

прибора с "отрицательным” сопротивлением.
1.	Устойчивость УРЧ. На рис. 4.43 приведена эквивалентная схема контура
( I , С ,г ) , содержащего последовательно включенный прибор с ’’отрицатель­
ным” сопротивлением, модуль которого \R		1 = | — |. В диапазоне СВЧ необ-
ходимо	д	Gд
	учесть также дополнительные компоненты физической модели при-

бора, например емкость С , шунтирующую сопротивление p-w -перехода, со­ противление объема полупроводника, в котором он сформирован гд , индук­ тивность его выводов L и т.д.

В рассматриваемой схеме возможна неустойчивая работа, приводящая к генерации колебания (как в рабочем диапазоне частот, так и вне его). Вос­ пользуемся иммигансным критерием устойчивости. Условия генерации опре­ деляются выражениями (4.1), (4.2). Полагая, что электронный прибор заве­

домо устойчив при замыкании точек			11 (рис. 4.43), используем систему пара­
метров проводимости. Тогда из (4.1) , (4.2) следует:
—G +	1
	Re ( ----------- ----------) > 0;
д	Z К + гд + / с о ! д			(4.67)
	1
/со С		) = 0,
	+ 1ш ( ------
д	Z К+ r д + j<*L
где Z K —полное сопротивление контура.
Обозначая L + L д = l! r+ гд =			R 1и полагая —- » С	д , из (4.67) полу­
чаем 1/Я1> Сд , со = 1/ \/7 /С д ,т .е . сопротивление (г+				г^) должно быть ме­
нее критического значения Лкр		=	1/ Сд,

Для повышения запаса устойчивости усилителя в широком диапазоне час­ тот иногда применяют специальные стабилизирующие двухполюсники, кото­ рые включаются,в схему усилителя параллельно или последовательно. При их синтезе исходят из следующих условий: максимально расширить область ста­ бильности при наименьшем влиянии двухполюсников на параметры усилите­ ля в полосе пропускания.

2. Основные характеристики УРЧ. Электрическая схема УРЧ на приборе с ’’отрицательным” сопротивлением приведена на рис. 4.44, г д е ^ —дроссель, исключающий шунтирование диода D источником питания; R x f R 2 —делите­ ли, создающие требуемое сопротивление источника R ; источник сигнала и нагрузка подключаются к колебательному контуру L , С с помощью авто­ трансформаторных связей. В диапазоне УКВ эта схема может быть реализова­ на на элементах с сосредоточенными параметрами. Для СВЧ схема, приведен­ ная на рис. 4.44, является эквивалентной для области частот вблизи частоты резонанса, а сам усилитель выполняется на элементах с распределенными па­ раметрами (отрезках линии или волновода).

Эквивалентную схему УРЧ i (см. рис. 4.44) на частоте резонанса в контуре coQ удобно привести к виду, изображенному на рис. 4.45, где G'Tи - транс­ формированные проводимости соответственно источника сигнала и нагрузки: GK — конструктивная проводимость контура на частоте резонанса (Ск = = 1/Лк ); —’’отрицательная” проводимость.

Найдем наибольшее усиление схемы, показанной на рис. 4.45, по мощно­ сти. Условие отдачи наибольшей мощности от источника сигнала имеет вид

G1 = < V	< v	GH • ТогДа
Р	х =	(4.68)

		Рис. 4.45				Рис. 4.46
Для передачи в нагрузку GH так называемой номинальной мощности не­
обходимо удовлетворить условию						= G T( + (7к -<7д . Тогда
		г				(4.69)
?YL		4 G'	4 (G ‘ +	G -G
						)
		н	4 Г	к	д '
Используя (4.68) —(4.69), получаем
Кр		GГ' + GК -Gд				(4.70)
Эквивалентная полоса пропускания контура
п	= Ш		я ,			(4.71)
гд еб э =	R J p	=	1/СэР ; Сэ = G' +			- <7д + СК
Из (4.70)		следует, что в усилителе возможно получение любых величин

усиления, в том числе Кр -►00 . Последний режим является режимом генерации и в УРЧ не допустим. Так как усиление достигается компенсацией в колеба­ тельном контуре, то оно сопровождается сужением полосы пропускания (см. (4;71)).

Реализуемая на практике величина Кр ограничена как устойчивостью УРЧ к самовозбуждению, так и стабильностью его характеристик. При больших уси­ лениях даже незначтельные изменения параметров элементов усилителя изме­ няют вид и положение его резонансной характеристики. Поэтому обычно Кр < < 5 —30, что достаточно для ряда применений УРС.

Шумы усилителя на туннельном диоде имеют тепловой и дробовой харак­ тер. При малых сопротивлениях объема полупроводника г основной источ­ ник шума оказывается дробовым. Можно показать, что теоретический мини­ мальный коэффициент шума усилителя на туннельном диоде составляет не­ сколько децибел. В структуре, аналогичной приведенной на рис. 4.44, наблю­ дается увеличение уровня шумов из-за сильной обратной связи выходной и входной цепей усилителя. Это объясняется тем, что выходной шум попадает

на вход усилителя и усиливается в нем. Для электрической ’’изоляции” выхо­ да от входа в СВЧ-диапазоне применяют циркуляторы, осуществляющие рас­ пределение энергии колебания в определенных направлениях, показанных стрелками (рис. 4.46). Отраженная от нагрузки энергия поглощается в погло­ тителе и далее на вход усилителя не поступает.

4.9. Схемы, конструкции и характеристики усилителей радиосигналов

На умеренно высоких частотах используют УРС на биполярных (БТ) и полевых (1ГГ) транзисторах с высокими граничными частотами. Современная интегральная технология позволяет изготавливать полупроводниковые и гиб­ ридные интегральные микросхемы (ИМС) усилителей радиосигналов (УРЧ и УПЧ) с внешними избирательными цепями (колебательными контурами и фильтрами). Здесь возможно также использование интегральных активных ЛС-фильтров, однако их частотные свойства ограничены. Поэтому иногда ак­ тивные ДС-устройства используют одновременно с фильтрующими системами с сосредоточенными параметрами (контурами, пьезокерамическими и други­ ми фильтрами). В этом случае они выполняют роль усилителей и устройств согласования.

На рис. 4.47 приведена схема УРЧ tea полевом транзисторе с трансформа­ торным включением колебательного контура в цепь стока. Колебательный контур перестраивается варикапом, на который подается управляющее напря­ жение смещения U Требуемая устойчивость каскада достигается выбором коэффициента усиления, меньшего или равного коэффициенту устойчивого усиления.

На рис. 4.48, а дана принципиальная схема ИМС, предназначенной для УРС, работающих На частотах до 150 МГц, на рис. 4.42, б — вариант ее приме­

нения. Схема содержит каскодный	усилитель (ОЭ-ОБ) на транзисторах VT2
и VT1 , что обеспечивает высокую устойчивость. С помощью транзистора
VT3 осуществляется регулировка усиления ИМС, для чего необходимо изме­
нять управляющее напряжение £А	на выводе 7 , что приводит к изменению

эмиггерного тока VT3 , величины напряжения на R6 и, следовательно, смеще­ ния на эмиттере VT2. С помощью диодов VD1, VD2,резисторов R1-R3 (тем­ пературно-зависимого делителя базового смещения) и цепей обратной связи достигается высокая стабильность параметров ИМС: в интервале температур от —60 до +70 ° С изменение IY^ I не превышает ±25 %. Усиление ИМС на час­ тоте 10 МГц не менее 200 (сопротивление нагрузки 100 О м), напряжение пи­ тания 6,3 В (± 10 °/о) , потребляемая мощность 20 мВт. Для ИМС характерен от­ носительно низкий уровень шумов: на частоте 180 МГц коэффициент шума не более 7 дБ.

На рис. 4.49 Приведена схема резонансного УРЧ, которая может приме­ няться на частотах До 60 МГц. Она содержит ИМС 175УВ4, основу которой со­ ставляет каскодный усилитель с дифференциальным каскадом. Входной сиг­ нал с контура входной цепи подается на базу транзистора VT4 , включенного по схеме с ОЭ, и усиливается далее транзистором VT3 (О Б ). Такое включение позволяет повысить устойчивость усилителя и увеличить его выходное сопро­ тивление, что допускает полное включение нагрузочного контура.Регулировка

усиления может осуществляться путем подачи управляющего напряжения:С/ на базу транзистора VT2 дифференцшльного каскада. Так как ток эмиттера транзистора VT3 остается постоянным, то входное сопротивление УРЧ в про­ цессе регулировки усиления не изменяется, что стабилизирует АЧХ усилителя в широком диапазоне изменения его усиления. Входной и выходной контуры перестраиваются с помощью варикапов, входящих в состав варикапной матри­ цы. Для уменьшения влияния нелинейных эффектов в каждом из контуров