Усилитель радиочастоты на микросхеме. Высокочастотные усилители на микросхемах. Рис.10. Каскад усилителя радиочастоты

министерство образования Российской Федерации

Московский физико-технический институт
(государственный университет)

Кафедра радиотехники

Усилитель радиочастоты на биполярном
транзисторе

Лабораторная работа
по курсу Радиотехника

Москва 2003

УДК 621.396.6

Усилитель радиочастоты на биполярном транзисторе.
Лабораторная работа по курсу Радиотехника / Сост.
. – М.: МФТИ, 2003. – 24 с.

© Московский физико-технический институт

государственный университет), 2003

1. Введение 4

2. Каскад на биполярном транзисторе с ОЭ 5

2.1. Принципиальные электрические схемы каскада 5

2.2. Параметры и характеристики каскада 6

2.3. Выбор параметров каскада в многоканальном
усилителе 11

3. Самовозбуждение УРЧ 13

4. Каскодная схема 15

4.1. Принципиальные электрические схемы 15

4.2. Параметры и характеристики схемы 16

5. Экспериментальная оценка выходного и входного
импедансов каскада УРЧ 17

6. Задание 19

6.1. Исследуемые схемы 19

6.2. Расчет каскадов 20

6.3. Измерения и исследования 21

Список литературы 23

1. Введение

Усилители радиочастоты (УРЧ) широко применяют в различных устройствах. Чаще всего их используют в качестве входных блоков радиоприемников для частотной фильтрации полезного сигнала из помех и увеличения его амплитуды. В таких случаях центральная частота спектра сигнала, как правило, существенно превышает ширину спектра и тогда УРЧ выполняет функции активного полосового фильтра. Известно значительное количество схем подобных УРЧ, содержащих разное число усилительных элементов и частотно-избирательных цепей. УРЧ может содержать единственный каскад, а может быть многокаскадным.

УРЧ обычно описывают следующими параметрами и характеристиками:

– резонансной (центральной) частотой усиливаемого участка спектра входного напряжения,

– резонансным коэффициентом усиления https://pandia.ru/text/78/219/images/image003_71.gif" width="23" height="23 src=">

– полосой пропускания https://pandia.ru/text/78/219/images/image005_58.gif" width="40" height="23">

– входным импедансом https://pandia.ru/text/78/219/images/image007_51.gif" width="81" height="21">

– выходным импедансом https://pandia.ru/text/78/219/images/image009_42.gif" width="97" height="21">

– амплитудно-частотной и фазочастотной характеристиками (АЧХ и ФЧХ).

Цель настоящей лабораторной работы – теоретически изучить, рассчитать, собрать на индивидуальной плате и экспериментально исследовать простейшие варианты УРЧ. Это – резонансный каскад на биполярном транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером (ОЭ), каско дная схема на двух транзисторах с одним колебательным контуром и двухкаскадный УРЧ, образованный последовательным соединением названных каскадов.

2. Каскад на биполярном транзисторе с ОЭ

2.1. Принципиальные электрические схемы каскада

На рис. 1а) представлена принципиальная электрическая схема каскада резонансного усилителя на биполярном транзисторе с ОЭ с частично включенным -контуром в качестве коллекторной нагрузки и с последовательным питанием коллекторной цепи. На рис. 1б) дана схема аналогичного каскада с параллельным питанием коллекторной цепи.

https://pandia.ru/text/78/219/images/image012_34.gif" width="21" height="25"> в источник питания , а переменную составляющую через конденсатор направляют мимо источника . Этим уменьшают нежелательную обратную связь между несколькими каскадами УРЧ, питаемыми от единого источника https://pandia.ru/text/78/219/images/image015_28.gif" width="20" height="24">в источник питания . В качестве импеданса используют дроссель (катушку с большой индуктивностью), резистор или последовательное соединение дросселя и резистора.

2.2. Параметры и характеристики каскада

Параметры и характеристики любого радиотехнического устройства, описывающие его свойства, обычно находят путем составления и анализа эквивалентной схемы этого устройства. Для каскада УРЧ используем эквивалентную схему по переменному току, содержащую модели источника сигнала, УЭ и нагрузки. Источник сигнала представим простейшим генератором напряжения с ЭДС и внутренним сопротивлением ..gif" width="125" height="24 src="> где р – коэффициент включения контура, – эквивалентное сопротивление контура, – обобщенная частотная расстройка, https://pandia.ru/text/78/219/images/image024_23.gif" width="17" height="13 src=">1 – собственная добротность контура, – резонансная частота, – сопротивление потерь контура, включенное последовательно с индуктивностью .

Опишем сначала свойства каскада при идеальном транзисторе, у которого -параметры не зависят от частоты и равны: и https://pandia.ru/text/78/219/images/image033_15.gif" width="27" height="28 src=">.jpg" width="397" height="85 src=">

На основании анализа этой схемы нетрудно показать, что у рассматриваемого каскада:

– резонансная частота https://pandia.ru/text/78/219/images/image037_13.gif" width="99" height="43"> (1)

где – крутизна транзистора,

– резонансный коэффициент усиления https://pandia.ru/text/78/219/images/image044_11.gif" width="91" height="23 src=">

– входной импеданс

– выходной импеданс левее точек https://pandia.ru/text/78/219/images/image048_11.gif" width="73" height="23 src=">

– АЧХ и ФЧХ задаются зависимостями модуля и аргумента выражения (1) от частоты.

Вместе с тем у реального транзистора -параметры зависят от частоты. В настоящей работе учтем только так называемое первое приближение этой зависимости, справедливое для частот, не превышающих нескольких значений верхней граничной частоты усиления транзистора по току и имеющее следующий вид:

https://pandia.ru/text/78/219/images/image053_10.gif" width="156" height="45 src=">

https://pandia.ru/text/78/219/images/image055_10.gif" width="157" height="45 src=">

Здесь – постоянная времени прямого https://pandia.ru/text/78/219/images/image058_8.gif" width="128" height="23"> – объемное сопротивление базы, – постоянная времени обратного перехода база-коллектор. Этому приближению соответствует физически наглядная П-образная эквивалентная схема транзистора (схема Джиаколетто). При ее использовании эквивалентная схема каскада приобретает вид, показанный на рис. 3.

В этой схеме в диапазоне частот применения УРЧ можно не учитывать резистор https://pandia.ru/text/78/219/images/image063_9.gif" width="32" height="23 src=">. Так, для транзистора КТ315 на частоте 1 МГц емкость порядка трех пикофарад имеет импеданс 50 кОм, а величина составляет единицы Мом..gif" width="49" height="23">

С учетом сказанного результаты анализа схемы, изображенной на рис. 3, сводятся к следующему.

Выходная проводимость части каскада, расположенной левее линии К– Э, найденная, например, в результате использования теоремы Нортона, получается равной

https://pandia.ru/text/78/219/images/image067_8.gif" width="181" height="47 src=">

Следовательно, выходной контур каскада в данном случае шунтируется резисторным выходным сопротивлением транзистора и выходной емкостью величины которых зависят от параметров транзистора, выходного сопротивления источника сигнала и частоты..gif" width="25" height="23 src=">.gif" width="43" height="21"> имеем порядка десятков кОм и порядка нескольких , а при порядка единиц кОм получаем порядка (долей–единиц) кОм, а https://pandia.ru/text/78/219/images/image063_9.gif" width="32" height="23">.

Из эквивалентной схемы каскада, показанной на рис..gif" width="32" height="23">, равен где – импеданс нагруженного выходного контура https://pandia.ru/text/78/219/images/image080_5.gif" width="136" height="23 src=">.gif" width="29" height="23 src="> Умножив и разделив выражение для на комплексное выражение получаем где ,

Отсюда следует, что входной импеданс каскада между точками Б–Э задается цепью, изображенной на рис. 4а), где https://pandia.ru/text/78/219/images/image090_6.gif" width="19" height="21 src="> – параллельное соединение сопротивлений и https://pandia.ru/text/78/219/images/image094.jpg" width="265" height="97">Рис. 4

Для транзисторов с очень малыми сопротивлениями элементы и практически являются входным резистивным сопротивлением https://pandia.ru/text/78/219/images/image099_5.gif" width="25 height=21" height="21"> всего каскада. В случае больших величин или при наличии дополнительного резистора https://pandia.ru/text/78/219/images/image100_5.gif" width="45 height=15" height="15"> параметры каскада и можно найти соответствующим пересчетом цепи, показанной на рис.4а), в цепь, изображенную на рис. 4б), по формулам

https://pandia.ru/text/78/219/images/image102_5.gif" width="184" height="43 src=">

где

(Попутно заметим, что для частот < относительная расстройка имеет знак минус и величина сопротивления https://pandia.ru/text/78/219/images/image010_42.gif" width="24 height=17" height="17">-контура любого предыдущего каскада входным импедансом последующего каскада резонансная частота и усиление шунтируемого каскада падают, а полоса пропускания расширяется. Вместе с тем, правильно спроектированный каскад должен обеспечивать заданные величины и всего усилителя и максимальное усиление каждого каскада https://pandia.ru/text/78/219/images/image108.jpg" width="396" height="166">

Для обеспечения требуемой полосы пропускания каскада добротность его нагруженного контура должна быть равна https://pandia.ru/text/78/219/images/image111_4.gif" width="61" height="23 src=">.gif" width="20" height="23 src="> должна удовлетворять условию

https://pandia.ru/text/78/219/images/image114_3.gif" width="20" height="21"> и коэффициенты подключения к контуру со стороны выхода УЭ каскада и со стороны входа 2-го каскада соответственно.

Резонансное усиление каскада от его входа до входа 2-го каскада при этом равно

. (3)

Из выражений (2) и (3) при условии находятся требуемые (оптимальные) значения коэффициентов подключения

https://pandia.ru/text/78/219/images/image119_4.gif" width="101" height="28 src="> (4)

где

Каскад с данными коэффициентами подключения иногда называют оптимально согласованным. Величина максимального резонансного усиления согласованного каскада оказывается равной

https://pandia.ru/text/78/219/images/image124_4.gif" width="133" height="43 src=">.gif" width="176" height="43 src=">.gif" width="103" height="24"> – полная емкость контура, обеспечивающая резонансную частоту каскада, равную при индуктивности катушки контура Из этих соотношений получаем следующие формулы для определения величин емкостей и https://pandia.ru/text/78/219/images/image133_3.gif" width="119" height="24">

3. Самовозбуждение УРЧ

Самовозбуждение УРЧ происходит при наличии в нем положительной обратной связи. Существует три канала такой связи. Один из них – это связь каскадов через общий источник питания Для уменьшения данной связи каскады “развязывают“ с помощью фильтрующих элементов и https://pandia.ru/text/78/219/images/image138_3.gif" width="41" height="23 src=">

Рассмотрим условия, при которых самовозбуждение УРЧ возникает именно из-за названной емкости. Впервые они были найдены российским ученым Владимиром Ивановичем Сифоровым еще в эпоху ламповой радиотехники. показал, что одиночный каскад резонансного УРЧ может возбудиться только при наличии в его входном импедансе индуктивной составляющей. Такая составляющая появляется, например, при наличии второго колебательного контура на входе каскада. Аналогичная ситуация возникает в многокаскадном УРЧ, в котором роль входного контура каждого каскада, начиная со второго, играет выходной контур предыдущего каскада.

На рис. 6 дана упрощенная эквивалентная схема каскада с двумя одинаковыми контурами, которые представлены в ней двухполюсниками с импедансами этих контуров (с учетом их шунтирования транзистором). УЭ представлен генератором тока Емкость – это проходная емкость каскада.

Разорвем провод схемы в точке и приложим к каскаду гармоническое входное напряжение https://pandia.ru/text/78/219/images/image144_3.gif" width="15" height="15 src=">, которое вызовет выходное напряжение Под влиянием суммы входного и выходного напряжений через проходную емкость потечет ток обратной связи При больших коэффициентах усиления каскада вкладом входного напряжения можно пренебречь и считать, что https://pandia.ru/text/78/219/images/image148_2.gif" width="29" height="21 src="> Если начальные фазы напряжений и окажутся равными, а амплитуда напряжения связи превысит амплитуду https://pandia.ru/text/78/219/images/image150_2.gif" width="111" height="23">когда также имеем На этой частоте импедансы обоих контуров носят индуктивный характер. Если на резонансной частоте напряжения и находятся в противофазе (сдвиг равен https://pandia.ru/text/78/219/images/image154_2.gif" width="17" height="21"> сдвиг фазы между напряжениями и равен уже сдвиг фазы между векторами и равен и сдвиг между векторами и равен В результате фазовый сдвиг между напряжениями и оказывается равным нулю, то есть обратная связь становится чисто положительной. Если при этом выполняется и второе (амплитудное) условие, то каскад УРЧ превращается в индуктивный трех-точечный https://pandia.ru/text/78/219/images/image160_2.gif" width="21" height="24">

Для устойчивости УРЧ необходимо, чтобы амплитуда напряжения была меньше амплитуды напряжения https://pandia.ru/text/78/219/images/image162_2.gif" width="85 height=25" height="25"> (7)

Таким образом, выражение (7) указывает пути борьбы с самовозбуждением из-за наличия проходной емкости УЭ. Это – соответствующие ограничения величин и

4. Каскодная схема

4.1. Принципиальные электрические схемы

Каскодная схема разработана для повышения устойчивости УРЧ к самовозбуждению, что достигается существенным уменьшением ее проходной емкости по сравнению с минимально достижимой проходной емкостью отдельного УЭ. Примеры каскодных схем с последовательным и параллельным питанием по постоянному току даны на рис. 7.

4.2. Параметры и характеристики схемы

Как видно из этих рисунков, нагрузкой 1-го транзистора, включенного по схеме с ОЭ, по переменному току является входной импеданс 2-го транзистора, включенного по схеме с общей базой (ОБ). Поскольку величина такого импеданса весьма мала по сравнению с выходным импедансом 1-го транзистора ( то 1-й транзистор каскодной схемы практически работает в режиме короткого замыкания на его выходе, а 2-й транзистор – в режиме холостого хода на его входе. Кроме того, имеем

Если теперь рассматривать оба транзистора каскодной схемы как единый УЭ, то при указанных условиях его -параметры связаны с аналогичными параметрами 1-го и 2-го транзисторов следующими соотношениями

https://pandia.ru/text/78/219/images/image171_2.gif" width="32" height="23 src=">.gif" width="55" height="23 src=">

https://pandia.ru/text/78/219/images/image175_2.gif" width="96" height="23 src=">.gif" width="21" height="23"> каскодной схемы, оценивающий степень обратной связи через проходную емкость, оказывается намного меньше, чем у одиночного транзистора, включенного по схеме с ОЭ. Это делает каскодную схему более устойчивой к самовозбуждению.

Кроме того, из-за малости величины входной импеданс каскодной схемы равен 1-го транзистора,
а выходной импеданс равен https://pandia.ru/text/78/219/images/image180_2.gif" width="37" height="21">.gif" width="19 height=21" height="21"> ненагруженного контура. Теоретический расчет этих величин громоздок и неточен, поэтому опишем методику их экспериментальной оценки.

Величины https://pandia.ru/text/78/219/images/image075_6.gif" width="33" height="21 src=">.gif" width="27" height="23 src="> определяемую суммарной емкостью контура + С П, где С П – известная емкость предварительно поставленного в контур навесного конденсатора. Вычисляем величину по формуле

https://pandia.ru/text/78/219/images/image182_2.gif" width="72" height="43 src="> (8)

где .

Изменением емкости С П настраиваем каскад на требуемую резонансную частоту и измеряем его полосу пропускания После этого подключаем емкостную ветвь контура к коллектору транзистора частично, как показано на эквивалентной схеме данного включения на рис. 8а). При этом величины емкостей и выбираем так, чтобы с учетом известной емкости резонансная частота каскада равнялась https://pandia.ru/text/78/219/images/image186_2.gif" width="15" height="16">= (0.2–0.8). В линейном режиме работы каскада измеряем его полосу пропускания резонансная частота 1-го каскада без подключения к нему 2-го каскада равнялась Вычисляем величину

г) считая, что для всех транзисторов h 21Э = 100, найти их начальные токи базы I бн = I кн / h 21Э,

д) выбрать ток, протекающий через делитель напряжения, составленный из резисторов R 1 и R 2, равным I д = (50–100) I бн, найти значения R 1 и R 2, учитывая также условие, что потенциал базы транзистора VT 3 относительно земли должен быть равен (U кэн + 0.6 В),

е) найти величины R р, R б1, R ф, R б2.

6.2.2. Расчет по переменному току:

а) взять в кассе две катушки с равными индуктивностями (40–60) мкГн, измерить их индуктивности на https://pandia.ru/text/78/219/images/image024_23.gif" width="17" height="13 src=">L ;

б) задаться предварительным значением коэффициента частичного подключения 1-го контура p = (0.25–0.33), определяемого соотношением его емкостей;

в) вычислить величины емкостей обоих контуров;

г) выбрать емкость остальных конденсаторов схемы порядка (0.01–1) мкФ, обеспечивая тем самым требуемую малость их импеданса на резонансной частоте.

6.3. Измерения и исследования

6.3.1. Исследование одиночных каскадов

На индивидуальной плате студента собрать каскад на транзисторе с ОЭ, подключив его контур к транзистору полностью, соединив точки 3 и 4 с помощью разделительного конденсатора С р. Собрать каскодную схему, оставив ее вход (точка 6) свободным. Измерить реальные значения I кн и U кэн обоих каскадов и проверить их соответствие заданным величинам. При необходимости добиться соответствия с точностью (10–25)% путем изменения величин R б1, R б2, R 1 и R 2.

Подключив к входу 1-го каскада (точки 1 и 2) генератор гармонического напряжения радиочастоты с амплитудой не более 20 мВ, а к точкам 5 и 2 вольтметр, измерить резонансную частоту этого каскада и проверить ее соответствие расчетной величине https://pandia.ru/text/78/219/images/image018_26.gif" width="20" height="21 src="> на АЧХ и ФЧХ каскада на транзисторе с ОЭ.

6.3.2. Исследование двухкаскадного УРЧ

Используя результаты измерений в п. 6.3.1, материалы
п. 2.3 и формулы (4)–(6), рассчитать параметры согласованного каскада на транзисторе с ОЭ, нагруженного каскодной схемой. При этом требуемую полосу пропускания 1-го каскада задать равной его полосе при полном включении контура и при отсутствии подключения ко 2-му каскаду.

Собрать описанный двухкаскадный усилитель. При наличии его самовозбуждения принять меры к ликвидации генерации.

У устойчивого двухкаскадного усилителя в линейном режиме его работы измерить величины резонансного усиления и полос пропускания 1-го каскада и всего усилителя в целом.

При домашней подготовке к зачету и оформлении отчета:

а) освоить вывод расчетных формул (4), (8), (9)–(11),

б) сопоставить полученные значения всех измеренных величин с теоретически ожидаемыми.

Список литературы

1. Основы радиоэлектроники. – М.: Радио и связь, 1990.
2. , Радиоприемные устройства. В 2-х ч. – М.: Сов. радио, 1961.–1963.

Лабораторная работа

Усилители высоких частот (УВЧ) применяются для увеличения чувствительности радиоприемных средств - радиоприемников, телевизоров, радиопередатчиков. Помещенные между приемной антенной и входом радио или телеприемника, подобные схемы УВЧ увеличивают сигнал, поступающий от антенны (антенные усилители).

Использование таких усилителей позволяет увеличить радиус уверенного радиоприема, в случае радиостанций (приемо-передающих устройств -приемопередатчиков) либо увеличить дальность работы, либо при сохранении той же дальности уменьшить мощность излучения радиопередатчика.

На рис.1 приведены примеры схем УВЧ, часто используемых для увеличения чувствительности радиосредств. Значения используемых элементов зависят от конкретных условий: от частот (нижней и верхней) радиодиапазона, от антенны, от параметров последующего каскада, от напряжения питания и т.д.

На рис.1 (а) приведена схема широкополосного УВЧ по схеме с общим эмиттером (ОЭ). В зависимости от используемого транзистора данная схема может успешно применяться до частот в сотни мегагерц.

Необходимо напомнить, что в справочных данных на транзисторы приводятся предельные частотные параметры. Известно, что при оценке частотных возможностей транзистора для генератора, достаточно ориентироваться на предельное значение рабочей частоты, которое должно быть, как минимум, в два-три раза ниже предельной частоты, указанной в паспорте. Однако для ВЧ-усилителя, включенного по схеме ОЭ, предельную паспортную частоту уже необходимо уменьшать, как минимум, на порядок и более.

Рис.1. Примеры схем простых усилителей высокой частоты (УВЧ) на транзисторах.

Радиоэлементы для схемы на рис.1 (а):

• R1=51к(для кремниевых транзисторов), R2=470, R3=100, R4=30-100;
• С1=10-20, С2= 10-50, С3= 10-20, С4=500-Зн;

Значения конденсаторов приведены для частот УКВ-диапазона. Конденсаторы типа КЛС, КМ, КД и т.д.

Транзисторные каскады, как известно, включенные по схеме с общим эмиттером (ОЭ), обеспечивают сравнительно высокое усиление, но их частотные свойства относительно невысоки.

Транзисторные каскады, включенные по схеме с общей базой (ОБ), обладают меньшим усилением, чем транзисторные схемы с ОЭ, но их частотные свойства лучше. Это позволяет использовать те же транзисторы, что и в схемах с ОЭ, но на более высоких частотах.

На рис.1 (б) приведена схема широкополосного усилителя высокой частоты (УВЧ) на одном транзисторе, включенном по схеме с общей базой . В коллекторной цепи (нагрузка) включен LС-контур. В зависимости от используемого транзистора данная схема может успешно применяться до частот в сотни мегагерц.

Радиоэлементы для схемы на рис.1 (б):

• R1=1к, R2=10к. R3=15к, R4=51 (для напряжения питания ЗВ-5В). R4=500-3 к (для напряжения питания 6В-15В);
• С1=10-20, С2= 10-20, С3=1н, С4=1н-3н;
• Т1 - кремниевые или германиевые ВЧ-транзисторы, например. КТ315. КТ3102, КТ368, КТ325, ГТ311 и т.д.

Значения конденсаторов и контура приведены для частот УКВ-диапазона. Конденсаторы типа КЛС, КМ, КД и т.д.

Катушка L1 содержит 6-8 витков провода ПЭВ 0.51, латунные сердечники длиной 8 мм с резьбой М3, отвод от 1/3 части витков.

На рис.1 (в) приведена еще одна схема широкополосного УВЧ на одном транзисторе , включенном по схеме с общей базой . В коллекторной цепи включен ВЧ-дроссель. В зависимости от используемого транзистора данная схема может успешно применяться до частот в сотни мегагерц.

Радиоэлементы:

• R1=1к, R2=33к, R3=20к, R4=2к (для напряжения питания 6В);
• С1=1н, С2=1н, С3=10н, С4=10н-33н;
• Т1 - кремниевые или германиевые ВЧ-транзисторы, например, КТ315, КТ3102, КТ368, КТ325, ГТ311 и т.д.

Значения конденсаторов и контура приведены для частот СВ-, КВ-диапазона. Для более высоких частот, например, для УКВ-диапазона, значения емкостей должны быть уменьшены. В этом случае могут быть использованы дроссели Д01.

Конденсаторы типа КЛС, КМ, КД и т.д.

Катушки L1 - дроссели, для СВ-диапазона это могут быть катушки на кольцах 600НН-8-К7х4х2, 300 витков провода ПЭЛ 0,1.

Большее значение коэффициента усиления может быть получено за счет применения многотранзисторных схем . Это могут быть различные схемы, например, выполненные на основе каскодного усилителя ОК-ОБ на транзисторах разной структуры с последовательным питанием. Один из вариантов такой схемы УВЧ приведен на рис.1 (г).

Данная схема УВЧ обладает значительным усилением (десятки и даже сотни раз), однако каскодные усилители не могут обеспечить значительное усиление на высоких частотах. Такие схемы, как правило, применяются на частотах ДВ- и СВ-диапазона. Однако при использовании транзисторов сверхвысокой частоты и тщательном исполнении такие схемы могут успешно применяться до частот в десятки мегагерц.

Радиоэлементы:

• R1=33к, R2=33к, R3=39к, R4=1к, R5=91, R6=2,2к;
• С1=10н, С2=100, С3=10н, С4=10н-33н. С5=10н;
• Т1 -ГТ311, КТ315, КТ3102, КТ368, КТ325 и т.д.
• Т2 -ГТ313, КТ361, КТ3107 и т.д.

Значения конденсаторов и контура приведены для частот СВ-диапазона. Для более высоких частот, например, для КВ-диапазона, значения емкостей и инду ктивность контура (число витков) должны быть соответствующим образом уменьшены.

Конденсаторы типа КЛС, КМ, КД и т.д. Катушка L1 - для СВ-диапазона содержит 150 витков провода ПЭЛШО 0.1 на каркасах 7 мм, подстроечники М600НН-3-СС2,8х12.

При настройке схемы на рис.1 (г) необходимо подобрать резисторы R1, R3 так, чтобы напряжения между эмиттерами и коллекторами транзисторов стали одинаковыми и составили 3В при напряжении питания схемы 9 В.

Использование транзисторных УВЧ позволяет усиливать радиосигналы. поступающие от антенн, в теледиапазонах - метровые и дециметровые волны . При этом наиболее часто применяются схемы антенных усилителей, построенные на основе схемы 1(а).

Пример схемы антенного усилителя для диапазона частот 150-210 МГц приведена на рис.2 (а).

Рис.2.2. Схема антенного усилителя МВ-диапазона.

Радиоэлементы:

• R1=47к, R2=470, R3= 110, R4=47к, R5=470, R6= 110. R7=47к, R8=470, R9=110, R10=75;
• С1=15, С2= 1н, С3=15, С4=22, С5=15, С6=22, С7=15, С8=22;
• Т1,Т2,ТЗ - 1Т311(Д,Л), ГТ311Д, ГТ341 или аналогичные.

Конденсаторы типа КМ, КД и т.д. Полосу частот данного антенного усилителя можно расширить в области низких частот соответствующим увеличением емкостей, входящих в состав схемы.

Радиоэлементы для варианта антенного усилителя для диапазона 50-210 МГц :

• R1=47к, R2=470, R3= 110, R4=47к, R5=470, R6= 110. R7=47к, R8=470. R9=110, R10=75;
• С 1=47, С2= 1н, С3=47, С4=68, С5=47, С6=68, С7=47, С8=68;
• Т1,Т2,ТЗ - ГТ311А, ГТ341 или аналогичные.

Конденсаторы типа КМ, КД и т.д. При повторении данного устройства необходимо соблюдать все требования. предъявляемые к монтажу ВЧ-конструкций: минимальные длины соединяющих проводников, экранирование и т.д.

Антенный усилитель, предназначенный для использования в диапазонах телевизионных сигналов (и более высоких частот) может перегружаться сигналами мощных СВ-, КВ-, УКВ-радиостанций. Поэтому широкая полоса частот может быть неоптимальной, т.к. это может мешать нормальной работе усилителя. Особенно это сказывается в нижней области рабочего диапазона усилителя.

Для схемы приведенного антенного усилителя это может быть существенно, т.к. крутизна спада усиления в нижней части диапазона сравнительно низка.

Повысить крутизну амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) данного антенного усилителя можно применением фильтра верхних частот 3-го порядка . Для этого на входе указанного усилителя можно применить дополнительную LС-цепь.

Схема подключения дополнительного LС-фильтра верхних частот к антенному усилителю приведена на рис. 2 (б).

Параметры дополнительного фильтра (ориентировочные):

• С=5-10;
• L - 3-5 витков ПЭВ-2 0,6. диаметр намотки 4 мм.

Настройку полосы частот и формы АЧХ целесообразно проводить с помощью соответствующих измерительных приборов (генератор качающейся частоты и т.д). Форму АЧХ можно регулировать изменением величин емкостей С, С1, изменением шага между витками L1 и числа витков.

Используя описанные схемотехнические решения и современные высокочастотные транзисторы (сверхвысокочастотные транзисторы - СВЧ-транзисторы) можно построить антенный усилитель ДМВ-диапазона Этот усилитель можно использовать как с У КВ-радиоприемником, например, входящим в состав УКВ-радиостанции, или совместно с телевизором.

На рис.3 приведена схема антенного усилителя ДМВ-диапазона .

Рис.3. Схема антенного усилителя ДМВ-диапазона и схема подключения.

Основные параметры усилителя ДМВ диапазона:

• Полоса частот 470-790 МГц,
• Усиление - 30 дБ,
• Коэффициент шума -3 дБ,
• Входное и выходное сопротивления - 75 Ом,
• Ток потребления - 12 мА.

Одной из особенностей данной схемы является подача напряжения питания на схему антенного усилителя по выходному кабелю, по которому осуществляется подача выходного сигнала от антенного усилителя к приемнику радиосигнала - УКВ-радиоприемника, например, приемника УКВ-радиостанции или телевизора.

Антенный усилитель представляет собой два транзисторных каскада, включенных по схеме с общим эмиттером. На входе антенного усилителя предусмотрен фильтр верхних частот 3-го порядка, ограничивающий диапазон рабочих частот снизу. Это увеличивает помехозащищенность антенного усилителя.

Радиоэлементы:

• R1 = 150к, R2=1 к, R3=75к, R4=680;
• С1=3.3, С10=10, С3=100, С4=6800, С5=100;
• Т1,Т2 - КТ3101А-2, КТ3115А-2, КТ3132А-2.
• Конденсаторы С1,С2 типа КД-1, остальные - КМ-5 или К10-17в.
• L1 - ПЭВ-2 0,8 мм, 2,5 витка, диаметр намотки 4 мм.
• L2 - ВЧ-дроссель, 25 мкГн.

На рис.3 (б) приведена схема подключения антенного усилителя к антенному гнезду ТВ-приемника (к селектору ДМВ-диапазона) и к дистанционному источнику питания 12 В. При этом, как видно из схемы, питание на схему подается через коаксиальный кабель, используемый и для передачи усиленного ДМВ-радиосигнала от антенного усилителя к приемнику - УКВ-радиоприемнику или к телевизору.

Радиоэлементы подключения, рис.3 (б):

• С5=100;
• L3 - ВЧ-дроссель, 100 мкГн.

Монтаж выполнен на двустороннем стеклотекстолите СФ-2 навесным способом, длина проводников и площадь контактных площадок - минимальные, необходимо предусмотреть тщательное экранирование устройства.

Налаживание усилителя сводится к установке токов коллекторов транзисторов и регулируются при помощи R1 и RЗ, Т1 - 3.5 мА, Т2 - 8 мА; форму АЧХ можно регулировать подбором С2 в пределах 3-10 пФ и изменением шага между витками L1.

Литература: Рудомедов Е.А., Рудометов В.Е - Электроника и шпионские страсти-3.

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.

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.

Так как усилитель радиочастоты находится на входе радиоприемного устройства, то его шумовые характеристики и в основном определяют характеристики всего устройства в целом. Именно коэффициент шума усилителя радиочастоты определяет . Нелинейные свойства усилителя оцениваются характеристиками IP2 и IP3. Для обеспечения высокой линейности во всех каскадах приемника используются . Очень важным параметром является точка .

В связи с микроминиатюризацией современной элементной базой и связанной с ней миниатюризацией узлов радиоприемного устройства сейчас на СВЧ возможно применение схемотехнических решений, которые ранее применялись на значительно более низких частотах. Это связано с тем, что размеры блока относительно длины волны рабочего колебания становятся меньше одной десятой длины волны и в результате при разработке этого блока можно пренебречь волновыми эффектами при распространении колебаний.

Дополнительное повышение устойчивости схемы достигается включением фильтров нижней частоты на входе и выходе транзисторного каскада. Эти фильтры расчитываются на всю полосу частот, в которой транзистор сохраняет усилительные свойства. В результате во всем диапазоне частот не выполняется баланс фаз и самовозбуждение становится невозможным. Этот же фильтр осуществляет преобразование входного и выходного сопротивления транзистора к стандартному сопротивлению 50 Ом. Входная и выходная емкость включается в состав фильтра. усилителя радиочастоты с согласующими цепями на входе и выходе приведена на рисунке 1.

Рисунок 1. Принципиальная схема усилителя радиочастоты с входным и выходным сопротивлением 50 Ом на транзисторе с общей базой

В данной схеме R1 … R3 реализуют по постоянному току. Конденсатор C2 обеспечивает заземление базы транзистора по высокой частоте, а конденсатор C3 фильтрует цепи питания от помех. Дроссель L2 является нагрузкой коллектора транзистора VT1. Он пропускает ток питания в цепь коллектора VT1, но при этом развязывает источник питания по переменному току радиочастоты. Фильтры низкой частоты L1, C1 и C4, L3 обеспечивают трансформацию входного и выходного сопротивления транзистора в 50 Ом. Примененная схема фильтра низкой частоты позволяет включить в его состав входную или выходную емкость транзистора. Входная емкость транзистора VT1 совместно с емкостью C1 образует входной фильтр усилителя, а выходная емкость этого же транзистора совместно с емкостью C4 образует выходной фильтр низкой частоты.

Еще одной распространенной схемой усилителей радиочастоты является схема каскодного усилителя. В этой схеме последовательно соединяются два — и с общей базой. Подобное решение позволяет дополнительно уменьшить значение проходной емкости усилителя. Наиболее распространенной схемой каскодного усилителя является схема с гальванической связью между транзисторными каскадами. Пример схемы каскодного усилителя радиочастоты, собранной на биполярных транзисторах, приведен на рисунке 2.

Рисунок 2. Принципиальная схема каскодного усилителя радиочастоты

В данной схеме, точно так же как и в схеме, приведенной на рисунке 1, применена схема эмиттерной стабилизации рабочей точки транзистора VT2. Конденсатор C6 обеспечивает устранение отрицательной обратной связи на частоте принимаемого сигнала. В ряде случаев этот конденсатор не ставится для увеличения линейности усилителя и для того, чтобы уменьшить коэффициент усиления усилителя радиочастот.

Конденсатор C2 обеспечивает заземление базы транзистора VT1 по переменному току. Конденсатор C4 осуществляет фильтрацию источника питания по переменному току. Резисторы R1, R2, R3 определяют рабочие точки транзисторов VT1 и VT2. Конденсатор C3 развязывает базовую цепь транзистора VT2 по постоянному току от предыдущего каскада (входного полосового фильтра). Нагрузкой цепи коллектора по переменному току служит дроссель L2. Как и в схеме усилителя радиочастоты с общей базой на входе и выходе каскодного усилителя применены фильтры низкой частоты. Основное их назначение — обеспечить трансформацию входного и выходного сопротивления в значение 50 Ом.

Обратите внимание, что для подведения входного напряжения и напряжения питания, а также снятия выходного усиленного напряжения достаточно трех выводов схемы. Это позволяет выполнить усилитель в виде микросхемы буквально с тремя выводами. Такие корпуса обладают минимальными габаритами, а это позволяет избежать волновых эффектов даже на достаточно высоких частотах рабочего сигнала.

В настоящее время схемы усилителей радиочастоты выпускаются рядом фирм в виде готовых микросхем. Для примера можно назвать такие микросхемы как RF3827, RF2360 фирмы RFMD, ADL5521 фирмы Analog Devises, MAALSS0038, AM50-0015 фирмы M/A-COM. В данных микросхемах применяются арсенид-галлиевые полевые транзисторы. Верхняя усиливаемая частота может достигать значения 3ГГц. При этом коэффициент шума колеблется в пределах от 1,2 до 1,5 дБ. Пример принципиальной схемы усилителя радиочастоты с применением интегральной микросхемы MAALSS0038 фирмы M/A-COM приведен на рисунке 3.

Рисунок 3. Принципиальная схема усилителя радиочастоты с применением интегральной микросхемы MAALSS0038

Радиочастотные сигналы в диапазоне от сотен мегагерц до единиц гигагеры можно усиливать только при условии очень малых габаритов микросхем и тщательной проработки конструкции печатной платы. Именно поэтому все фирмы производители усилителей радиочастот приводят примеры печатных плат. Пример конструкции печатной платы усилителя радиочастоты, собранной на микросхеме MAALSS0038 фирмы M/A-COM, приведен на рисунке 4.

Рисунок 4. Конструкция печатной платы усилителя радиочастоты

Следует отметить, что часто между выходом усилителя радиочастоты и входом преобразователя частоты часто ставят фильтр, подобный входному фильтру, как это показано на рисунке 2 . Он позволяет увеличить подавление побочных каналов, образующихся в преобразователе частоты. Так как входное сопротивление фильтра и выходное сопротивление усилителя радиочастоты равны 50 Ом, то их сопряжение обычно не вызывает проблем.

Литература:

Вместе со статьей "Усилители радиочастоты" читают:

При одновременной работе приемника и передатчика возникают вопросы электромагнитной совместимости этих узлов...
http://сайт/WLL/Duplexer.php

При проектировании радиоприемных устройств базовых станций возникает требование распределять энергию сигнала с антенны на входы нескольких радиоприемников.
http://сайт/WLL/divider.php

Входной фильтр является одним из важнейших узлов радиоприемника...
Чем более сложный фильтр будет применен в качестве входного фильтра, тем выше удастся получить качество радиоприемника...
http://сайт/WLL/InFiltr/