Вопрос 4 Устойчивость работы УРЧ

Усилители радиочастоты на интегральных микросхемах.

Дать общие понятия об апериодических усилителях радиочастоты, и усилителях радиочастоты на интегральных микросхемах.

Вопросы занятия:

1. Каскодные схемы усилителей радиочастоты.

2. Апериодические усилители радиочастоты.

4. Устойчивость работы УРЧ.

Литература:

1. Р.В. Уваров, В.И. Хиленко, «Радиоприемные устройства», Москва, «Радио и связь», 1989, с.69-78.

Вопрос 1 Каскодные схемы усилителей радиочастоты.

Принцип построения каскодных схем УРЧ основан на исполь­зовании усилительных приборов, составленных из нескольких оди­ночных. Каскодным называют такое соединение усилительных приборов, при котором выход одного прибора соединяется с вхо­дом другого непосредственно без частотозависимых цепей, как показано на рисунке 1.1, а,б. Чаще всего используется последователь­ное соедине-ние приборов по схеме с общим эмиттером и общей базой (с общим истоком и общим затвором).

Рисунок 1.1 – Каскодные схемы УРЧ на биполярных (а) и полевых (б) транзисторах.

Для удобства рассмотрения работы схемы два усилительных прибора заменяют одним с эквивалентными параметрами (штри­ховая линия на рисунке 1.1, а, б). Назначение элементов схемы то же, что и в рассмотренных ранее схемах с общим эмиттером и общей базой. Резисторы R1, R2 (рисунок 1.1, а) образуют делитель напряжения. Часть напряжения от источника Е_к, выделяющаяся на резисторе R2, является напряжением смещения. Цепочка R_эC _э служит для температурной стабилизации положения рабо­чей точки на характеристике транзистора в исходном режиме. Принцип действия температурной стабилизации рассмотрен выше. Цепочка R_ф C_ф − фильтр в цепи питания. Колебательный контур LC является нагрузкой в выходной цепи усилительного прибора.

Физические процессы в схеме протекают следующим образом. Напряжение сигнала с входной цепи поступает на вход каскада в цепь эмиттер − база транзистора VT1. В результате перемен­ный ток, протекающий по цепи эмиттер − база − коллектор транзистора VT1, эмиттер − база − коллектор транзистора VT2, контур LC, конденсатор С_э1, эмиттер VT1, создает на контуре напряжение. Так как контур настроен в резонанс с частотой сиг­нала, то сопротивление его для тока сигнала активное и боль­шое. Поэтому на контуре создается большое (усиленное) на­пряжение.

Важнейшим преимуществом каскодного усилителя является слабая связь между выходом и входом составного транзистора. Это является следствием того, что нагрузкой транзистора VT1 служит малое входное сопротивление транзистора VT2, включен­ного по схеме с общей базой. Поэтому оказывается, что транзи­стор VT1 работает практически в режиме короткого замыкания коллекторной цепи. При этом коэффициент усиления транзисто­ра VT1 по напряжению мал (К≈1), а следовательно, и мало на­пряжение обратной связи с выхода VT1 на его вход. Кроме того, емкость коллекторного перехода второго транзистора VT2, слабо влияет на входное напряжение транзистора VT2, так как база его заземлена по высокой частоте. В результате устойчивость каскод­ного усилителя повышается.

В каскодной схеме усилителя функции усиления сигнала по напряжению и по мощности разделены. Первый каскад на тран­зисторе VT1, собранный по схеме с общим эмиттером, усилива­ет сигнал по мощности (К_Г>>1), не усиливая его по напряже­нию. Второй каскад на транзисторе VT2, собранный по схеме с общей базой, усиливает сигнал по напряжению. В результате усилитель в целом обеспечивает хорошее усиление и по напря­жению и по мощности. Таким образом, каскодный усилитель объ­единяет в себе достоинства обеих схем: высокое входное сопро­тивление и большое усиление по мощности схемы с общим эмит­тером и хорошую устойчивость и высокую граничную частоту схемы с общей базой. Поэтому каскодные схемы применяются на более высоких частотах − в диапазонных усилителях декаметрового и метрового диапазонов волн и широкополосных усилителях.

Вопрос 2. Апериодические усилители радиочастоты.

Апериодическим усилителем называется усилитель, нагрузкой которого является цепь, не обладающая резонансными свойства­ми, резистор или высокочастотный дроссель. Такой усилитель не обеспечивает избирательности и имеет широкую полосу про­пускания.

Принцип построения схемы, назначение ее элементов и прин­цип работы апериодического усилителя те же, что и резонансно­го усилителя. Коэффициент усиления апериодического усилителя K=SR_н почти постоянен в рабочем диапазоне частот и несколь­ко уменьшается с повышением частоты за счет шунтирующего действия входной емкости следующего каскада и емкости мон­тажа.

Апериодические усилители широко применяют в интегральных микросхемах, которые не содержат индуктивностей и имеют ми­нимальное число конденсаторов. Основой для построения таких микросхем служит дифференциальный усилитель, схема которого приведена на рисунке 3.1. Усилитель состоит из двух частей и име­ет симметричные вход и выход.

Выходное напряжение U_вых.д на симметричном выходе диф­ференциального усилителя пропорционально дифференциаль­ному (разностному) току входного сигнала или сумме противо­фазных токов сигнала:

U_вых.д= К (U_вх1 – U_вх2) = K U_вх.д.

Следова­тельно, U_вых.д не зависит от абсолютных значений напряжений входных сигналов, а определяется их разностью. При действии на входе противофазных напряжений токи эмиттеров транзисторов VT1 и VT2 будут изменяться в противофазе. Поэтому через ре­зистор R_э будет протекать только постоянный ток

I₀ = I_э1 + I_э2 = 2 I_э.

Переменного напряжения на R_э не будет, а следовательно, не будет и отрицательной обратной связи. Поэтому можно считать, что транзисто­ры VT1 и VT2 включены по схеме с общим эмиттером.

Рисунок 2.1 – Схема дифференциального усилителя

При действии на входе диф­ференциального усилителя син­фазных сигналов входные то­ки, а следовательно, и токи эмиттеров будут изменяться синфазно, так как оба транзи­стора по отношению к R_э рабо­тают параллельно. На R_э поя­вится переменное напряжение, являющееся для транзисторов напряжением отрицательной обратной связи по току. При симмет­рии схемы будут изменяться одинаково токи коллекторов, а следо­вательно, и напряжения U_вых1 и U_вых2. Поэтому на симметричном выходе синфазный сигнал будет полностью подавлен(U_вых.д = 0).Это позволяет выделять слабый противофазный сигнал на фоне сильной синфазной помехи.

Вопрос 3. Усилители радиочастоты на интегральных микросхемах.

В настоящее время в аппаратуре самого различного назначе­ния широко применяются интегральные микросхемы. По сравне­нию со схемами на дискретных элементах (отдельных транзис­торах, резисторах, конденсаторах и катушках индуктивности) интегральные микросхемы обладают рядом преимуществ: высокой надежностью, высокой плотностью монтажа, малыми габаритными размерами и так далее.

Выпускаются серии интегральных микросхем, которые можно использовать в радиоприемных устройствах различного назначе­ния.

В радиоэлектронной аппаратуре по характеру выполняемых функций интегральные микросхемы подразделяются на классы: усилители, генераторы, преобразователи и др. В пределах каж­дого класса различают группы. Например, усилители синусои­дальные, импульсные, постоянного тока и другие.

При выполнении интегральных усилителей затруднения воз­никают только при выполнении катушек индуктивности на срав­нительно низких частотах. В таких усилителях применяют навес­ные катушки индуктивности, подключаемые к соответствующим выводам микросхем.

На рисунке 3.1 приведена принципиальная схема резонансного УРЧ на микросхеме (показана штриховой линией). В этом уси­лителе колебательные контуры выполнены на навесных катуш­ках индуктивности и конденсаторах. Принятый сигнал с входно­го контура L1C1 подается на вывод 1 микросхемы, откуда через разделительный конденсатор С_р поступает на вход усилителя − базу транзистора VT1. Напряжение смещения +3 В на базу транзистора подается через вывод 2 и резистор R1. Нагрузкой усилителя является колебательный контур L2C2, включенный в коллекторную цепь транзистора по автотрансформаторной схеме через вывод 3. Питание цепи коллектора осуществляется по по­следовательной схеме через вывод 9, резистор фильтра R_ф и ка­тушку индуктивности L2. Через конденсатор фильтра С_ф контур L2C2 соединен с корпусом. Цепочка R_эC_э является термостабилизирующей.

Рисунок 3.1 – Принципиальная схема УРЧ на микросхеме

Рисунок 3.2 – Схема реактивного транзистора, эквивалентного индуктивности

Индуктивность в интегральных схемах можно реализо­вать с помощью реактивного транзистора. Индуктивность является реактивной цепью. Протекающий через нее ток отста­ет от приложенного напряжения на угол, близкий к 90 °. Такой фазовый сдвиг обеспечивается с помощью фазосдвигающей це­почки RC, подключенной к транзистору, как показано на рисунке 3.2. Определим сопротивление транзистора, которое он име­ет в точках подключения 1−1:.

Напряжение на транзисторе определим как падение напряже­ния, создаваемое током делителя I, протекающим через делитель RC: .

Ток транзистора

,

где S крутизна вольт-амперной характеристики транзистора,

U₁ − входное на­пряжение, которое можно определить как падение напряжения на конденсаторе C

:.

Тогда сопротивление транзистора:

.

Выберем сопротивление резистора R значительно больше сопротивления конденсатора Х_с. При выполнении этого условия в числителе пренебрегаем jwC и получим:

.

Отсюда следует, что эквивалентная индуктивность определяет­ся постоянной времени фазосдвигающей цепи RC и крутизной характеристики транзистора S. Изменением крутизны S (измене­нием режима транзистора по постоянному току) можно регули­ровать индуктивность транзистора. Поэтому реализация индук­тивности транзистора с помощью транзисторных RC- структур яв­ляется перспективной.

Причины неустойчивости. Усилитель предназначен для усиле­ния сигналов без изменения их формы. Это значит, что сигнал на его выходе должен иметь не только частоту, но и форму сиг­нала на входе. Кроме того, параметры усилителя не должны из­меняться в процессе работы усилителя, то есть усилитель должен ра­ботать устойчиво. Но в результате изменения внешних условий (температуры, нестабильности напряжения питания и др.) пара­метры усилительного прибора и других элементов схемы могут изменяться и вызывать изменения параметров усилителя в целом. Особенно сильное влияние на устойчивость работы усилителя оказывает положительная обратная связь. При этом часть энер­гии с выхода усилителя проникает на вход в фазе с входным ко­лебанием, т. е. выполняется условие баланса фаз. При выпол­нении еще и условия баланса амплитуд в усилителе возникает самовозбуждение, и усилитель превращается в автогенератор незатухающих колебаний. В ре­зультате усилитель работает неустойчиво.

Рисунок 4.1 – Упрощенная схема УРЧ с учётом внутренней обратной связи

Под устойчивой работой усилителя понимают такой ре­жим его работы, при котором он не только не самовозбужда­ется, но и далек от самовозбу­ждения и сохраняет постоянст­во параметров в процессе экс­плуатации.

Обратные связи в усилителе создаются следующим образом:

− через внутреннюю обратную связь в усилительном приборе;

− через общие источники питания нескольких каскадов усилителя;

− через индуктивные и емкостные связи отдельных каскадов.

Обратная связь через источник питания ослабляется развязы­вающими фильтрами R_фC_ф, которые не пропускают токи рабочей частоты через источник питания. Связи через паразитные индук­тивности и емкости устраняются экранированием и рациональной конструкцией усилителя и его монтажа.

Элементом внутренней обратной связи является внутренняя проводимость между выходным и входным электродами усили­тельного прибора. В транзисторах она носит комплексный харак­тер:

, где C₁₂ = C_кб = C_из.

На рисунке 3.1 приведена упрощенная схема усилителя, где эле­менты внутренней проводимости (g₁₂ и C₁₂) вынесены за преде­лы транзистора. Через элементы внутренней обратной связи энергия из выходного контура будет проникать на вход усилите­ля. Если вносимая во входной контур энергия полностью скомпен­сирует все потери в нем, то в контуре возникнут колебания с час­тотой f_п, отличающейся от частоты принимаемого сигнала f₀. В результате на входе усилителя будут действовать два колебания: одно с частотой сигнала f₀, а другое с частотой f_п возникших в контуре колебаний, которые являются паразитными. На выходе усилителя 'будет выделено напряжение с частотой паразитных ко­лебаний. Наличие внутренней проводимости

,

в уси­лительных приборах приводит к влиянию выходной проводимос­ти этого прибора и его нагрузки на параметры входного контура и вызывает изменение формы АЧХ усилителя. Степень изменения формы АЧХ усилителя и основных параметров колебательного контура характеризуется

коэффициентом устойчивости:

, (4.1)

где R_эк0, Q_эк0, П₀ − соответственно эквивалентные резонансное сопротивление, добротность и полоса пропускания входного кон­тура без учета влияния внутренней обратной связи; R_эк, Q_эк, П − соответственно эквивалентные сопротивление, добротность и полоса пропускания входного контура с учетом влияния внутренней обратной связи.

Коэффициент устойчивости показывает, во сколько раз изме­няются добротность и полоса пропускания входного контура за счет действия внутренней обратной связи.

Из формулы (4.1) видно, что он может принимать значения от 0 до 1. Чем больше коэффициент устойчивости, тем больше запас устойчивости и тем дальше усилитель от самовозбуждения. Обычно коэффициент устойчивости принимают равным 0,8...0,9. При этом изменение параметров усилителя (коэффициента уси­ления и полосы пропускания) будет составлять 10... 20%, что до­пустимо.

Очевидно, что искажения формы АЧХ будут тем сильнее, чем больше коэффициент усиления усилителя.

Для нормальной устойчивой работы усилителя необходимо уменьшить изменение АЧХ под действием внутренней обратной связи. Поэтому следует определить максимальный коэффициент устойчивого усиления, при котором искажения будут допустимыми.

Многокаскадный усилитель оказывается менее устойчивым однокаскадного, так как выходной контур каскада шунтируется входной проводимостью следующего каскада. Из-за этого экви­валентная проводимость каскада изменяется, вызывая изменение входной проводимости и параметров его входного контура.

Если рассчитанный коэффициент усиления К₀ оказывается больше К_уст, то его надо уменьшить, ослабив связь m₁ контура усилителя с усилительным прибором.

В многокаскадном усилителе устойчивый коэффициент усиле­ния определяется по формуле

.

Из этой формулы видно, что проверять усилитель на устойчивость надо на высшей частоте диапазона. Условием устойчивости является вы­полнение неравенства

К₀ < К_уст.

Методы повышения устойчивости. Резонансный коэффициент усиления К₀, который можно получить в усилительном каскаде на биполярном транзисторе, в 5... 10 раз выше коэффициента ус­тойчивого усиления:

К₀ ≈ (5... 10) К_уст.

Для реализации усилитель­ных возмож-ностей транзистора применяют следующие способы повышения устойчивости:

−применение транзи­сторов с минимальной внутренней обратной связью или большим значением отношения S₀ / C₁₂;

− нейтрализация внутренней обратной связи, каскодное вклю-чение транзисторов;

− включение транзисторов по схеме с общей базой (затвором).

Рисунок 4.2 – Схема УРЧ с нейтрализующей цепью R_NC_N

Нейтрализация внутренней обратной связи осуществляется введением,в схему усилителя дополнительной электрической цепи, с помощью которой из его выходной цепи во входную цепь пода­ется напряжение, противофазное тому, которое поступает по цепи внутренней обратной связи. Это напряжение компенсирует напря­жение внутренней обратной связи по амплитуде и фазе. В ре­зультате устойчивый коэффициент усиления повышается.

Упрощенная схема нейтрализации приведена на рисунке 4.2. Здесь нейтрализация достигается включением цепочки R_N C_N. Параметры этой цепочки подбираются так, чтобы поступающее через нее с выхода на вход усилителя напряжение было противофаз­ным напряжению обратной связи. Такая схема обеспечивает точ­ную нейтрализацию только в пределах узкой полосы частот, по­этому она используется в узкополосных УРЧ с фиксированной настройкой. Значительно большую устойчивость обеспечивают каскодные схемы, а также схемы с общими базой и затвором.

Дата добавления: 2014-01-07