Характеристика предмета «Радиоприемные устройства», взаимосвязь с другими

Вид материалаРеферат

Содержание


5.2 Расчет входной цепи с телескопической антенной
5.3 Расчет входной цепи с настроенной антенной
Ковц и др. производят для средней частоты диапазона f
5.4 Расчет резонансного усилителя радиочастоты (УРЧ)
S мА/В, входное и выходное сопротивления Rвх кОм, и Rвых
R3, создаваемым током эмитте- ра, (UR3 = 1-2 В) и приняв Iко ~ Iэо рассчитывают сопротивление резистора Rз
5.5 Расчет резонансного усилителя радиочастоты с электронной настройкой
Расчет параметров цепей смещения
Ur5 на резисторе R5. учитывая, что ток затвора I3io < 0,3 мА, можно считать Ur5=
Расчет коэффициента включения и резонансного коэффициента усиления
5.6 Расчет каскодного резонансного усилителя радиочастоты
Подобный материал:
1   2   3   4   5   6   7   8

5.2 Расчет входной цепи с телескопической антенной


В настоящее время штыревые (телескопические) ненастроенные антенны широ- ко используются в радиовещательных приемниках в диапазонах KB и УКВ, где применение магнитной антенны менее эффективно.

Схема входной цепи при работе от штыревой ненастроенной антенны и внешней ём- костной связи контура с антенной представлена на рис. 7а, эквивалентная схема на рис. 7в. Емкость антенны СА,пФ имеет малую величину и зависит от длины штыря

антенны γ, т.е.Сд =10γ= 5-15 пФ.

Если корпус приемника не заземлен, то эквивалентная емкость антенны САэ умень- шается, т.к. при этом надо учитывать емкость корпуса по отношению к земле

Скорп=7-20 пФ.








Вследствие малой емкости антенны она может присоединяться непосредственно к входному контуру без емкости связи Ссв (рис.7 6). Расчет входной цепи со штыревой ненастроенной антенной и емкостной связью производят в том же порядке и по тем же формулам, что и с МА, кроме резонансного коэффициента передачи входной цепи Ко в.ц., который в этой схеме для f0max рассчитывают по следующей формуле




гдеесли антенна подключена к контуру через конденсатор связи

Ссв= 5-10 пФ.




Если антенна включается непосредственно, то в формулу (5.13) вместо СА надо подставить САЭ. Можно также производить расчетК0вц по следующей формуле:



При расчетах амплитуды напряжения сигнала на входе УЭ по формуле (5.10) надо помнить, что действующая высота штыревой антенны приближенно равна длине штыря £, м, т.е. £g м ~ £ .

Применение ненастроенной штыревой антенны в диапазоне MB имеет некоторые особенности. Эквивалентная схема антенны для этого диапазона волна приведена на рис. 7г. При длине штыревой антенны, равной примерно £ = 1 м, ее усредненные па- раметры имеют примерно следующие значения: Ra ~ 22 Ом, СА = 5 пФ, LА ~ 0.5 мкГн.

Особенностью расчета входного контура с емкостной связью со штыревой ненаст- роенной антенной в диапазоне МБ также является сравнительно малая величина эк- вивалентной емкости контура Сэmin, кроме того, штыревая антенна обычно подклю- чается к контуру без заземления, что приводит к дополнительному уменьшению экви- валентной емкости антенны (см. выше) до величины примерно ровной САэ =3-4 пФ. В соответствии с этим эквивалентную емкость контура Сэmin следует выбирать такой величины, чтобы индуктивность контура Lк, рассчитываемая по формуле (5.5), име- ла конструктивно выполнимую величину, т.е. была равна не менее LK >0,05 мкГн.

Практически на рабочих частотах fо <100 МГц, значение емкости не должно пре- вышать Сэ=100 пФ. При расчете резонансной характеристики тракта преселектора радиоприемника декаметрового диапазона значения абсолютной расстройки Δf кГц, задаются такими же, что и для входной цепи с МА (см, 5.1 метод разработки). При расчете резонансной характеристики тракта преселектора радиоприемника, диапа- зона MB значения Δf,МГц, принимаются следующие: 0,1; 0,5; I; 2; 4; 8: 12 и т.д. до величины расстройки до зеркального канала Δfз, = 2fпР(См. 5.1 метод, разработки).

5.3 Расчет входной цепи с настроенной антенной

В случае применения настроенных симметричных антенн: линейного полуволно- вого вибратора длиной I = 0,475λ, петлевого вибратора и др., а также несимметрич- ного четвертьволнового вибратора длиной £ = 0,25λ эквивалентное сопротивление антенны Ra является практически чисто активным (см . рис.8)

Подключение антенны ко входу радиоприемника осуществляется с помощью симметричного фидера с волновым сопротивлением ρ = 300 Ом и несимметричного р= 75 Ом (или 50 Ом).

Принципиальные схемы входных цепей радиоприемника при работе от ненаст- роенной антенны в диапазоне MB приведены на рис. 8 б, в.

Настроенная антенна обычно подключается к контуру с помощью цепи индукти- вной связи -катушки индуктивности Lсв.

Контур входной цепи в радиовещательных приемниках в диапазоне MB (65,8-73 МГц) обычно выполняют неперестраиваемым, настроенным на среднюю частоту диапазона fср =69 МГц. В этом случае расчет параметров входной цепи Lk • Ск •

Ковц и др. производят для средней частоты диапазона fcp. Для связи входной цепи транзистора первого каскада или ИС с колебательным контуром может быть приме- нен емкостной делитель.



Рисунок 8. а) эквивалентная схема настроенной антенны; б) схема входной цепи радиопри- емника с симметричной антенной настроенной; в) схема входной цепи со штыревой настро- енной антенной.

Расчет неперестраиваемой входной цепи с настроенной антенной производят в следующем порядке:

I, Рассчитывают коэффициент связи контура с антенной. Так как параметры ан- тенны постоянны, то можно применить сильную связь. Максимальная величина ко- эффициента передачи входной цепи может быть получена при связи контура с ан- тенной, близкой к оптимальной.



где QK - конструктивная добротность контура.

2. Оптимальная связь достигается правильным выбором индуктивности катушки связи



где ρф - волновое сопротивление соединительного фидера антенного ввода или коаксиального кабеля;

fо - резонансная частота фиксированной настройки радиоприемника или сред- няя частота рабочего диапазона при неперестраиваемом контуре ВЦ.

3 Задаются значениями эквивалентной емкости контура Сэ, при которой инду- ктивность контурной катушки конструктивного выполнения L> 0,05 мкГн.

4 Рассчитываем точное значение индуктивности контура по формуле (5.5).

5 Вычисляем характеристическое сопротивление контура по формуле

pK=2nfoLK (5.17)

6 Рассчитываем коэффициент неполного включения т2 входной цепи транзис- тора первого каскада или ИС во входной контур по формуле (5.18), в которой учи- тывается условие согласования активного сопротивления антенны RA волновым сопротивлением фидера и эквивалентным входным сопротивлением радиоприём- ника, пересчитанным к выводам подключения фидера.



где-




-соответственно эквивалентное и конструктивное затухания входного контура, вычисленные в предварительном расчете;
Rвх - входное сопротивление первого каскада радиоприемника или ИС. 7. Вычисляют резонансный коэффициент передачи входной цепи К0 в.ц на резо- нансной частотеfо (илиfср).



8. Рассчитывают емкости конденсаторов С1 и С2 цепи связи контура со входом первого каскада (рис. 8 б, в) по формулам



Зная т2, эквивалентную емкость контура Сэ и входную емкость Свх транзистора (или ИС), а также выбрав предварительно конденсатор С1 можно рассчитать необходи- мую величину емкости конденсатора Сг и подобрать его.

9. Рассчитывают амплитуду напряжения сигнала на входе первого каскада УРЧ



где Еа – реальная чувсттвительность радиоприемника, мкВ.

10. Рассчитывают и строят резонансную характеристику σ, дБ = f(Δf) по формуле (5.11) значениями абсолютной расстройки Δf , МГц, надо задаваться таким же, как рекомендуется в 5.2. данной методической разработки, с учетом величины Δf3 = 2fnp.

5.4 Расчет резонансного усилителя радиочастоты (УРЧ)

В радиоприемниках широкое распространение находит схема УРЧ с двойной ав- тотрансформаторной связью на биполярных и полевых транзисторах (рис. 9 и 10).

Расчет УРЧ сводится к выбору оптимального режима работы транзистора, опре- делению его параметров, расчету коэффициентов включения т1 и т2 УЭ в колебате- льный контур и резонансного коэффициента усиления напряжения Ко, а также пара- метров цепей связи транзистора с контуром и резонансной характеристики

(σ дБ =f(Δf).




Рисунок 9. Схема резонансного УРЧ на биполярном транзисторе







Рисунок 10. Схема резонансного УРЧ на полевом транзисторе с двумя изолированными затворами и настройкой контура с помощью варикапной матрицы


Кроме того, должно быть проверено условие устойчивости работы каскада, при котором должно выполняться неравенство К0 < Ку, для чего должен быть рассчитан также устойчивый коэффициент усиления Ку. Расчет резонансного УРЧ на биполяр- ном транзисторе приведен.

Порядок расчета УРЧ следующий.

1. Выбирают режим работы транзистора: ток в выходной цепи транзистора в то- чке покоя Iвых о и напряжение UKO или Uото соответственно для биполярных и полевых транзисторов.

Рекомендуется применять экономичный режим: 1вых0=1+3 мА и напряжение ме- жду электродами УЭ, обеспечивающие такой ток. При расчете УРЧ в диапазоне MB режим работы транзистора выбирают исходя из получения минимального коэффи- циента шума Кт min при котором величины тока Iвых и напряжения UKO или Uото могут быть указаны в справочнике.

  1. Определяют для выбранного режима параметры транзистора: крутизну тока в выходной цепи S мА/В, входное и выходное сопротивления Rвх кОм, и Rвых кОм, и др. [3, разд.У].
  2. При перестраиваемом с помощью КПЕ контуре (рис. 9) рассчитывают коэф- фициент перекрытия диапазона КПд по формуле (5.1).
  3. Выбирают конденсатор переменной емкости КПЕ из таблицы 4.
  4. Вычисляют емкость схемы Ссх по формуле (5.2).
  5. Определяют емкость дополнительного конденсатора Сдоп по формуле (16) и эквивалентные емкости Сэ min и Сэ max по формуле (17).
  6. Рассчитывают индуктивность контура по формуле (5.5).
  7. Рассчитывают характеристическое сопротивление по формуле

рк =ωLK = 2л fLK для максимальной f max и минимальной fmin частот диапазона.
  1. Вычисляют коэффициенты включения m1 и m2 УЭ в контур для максималь- ной fоmax и минимальной fmm частот по формулам




12. Вычисляют устойчивый коэффициент усиления по формуле (11), задаваясь коэффициентом запаса устойчивости ку =0,8 - 0,9 в зависимости от типа радиоприём- ника (см. 4.5 метод, разработки).

Условие устойчивости выполняется, если справедливо неравенство К0< Ку, в про- тивном случае требуется применение транзистора с большей величиной S мА/В, и ме- ньшей СПрох, пФ. или же снижение степени связи УЭ с контуром, требующее уменьшения коэффициента включения m1 (или m2).

При расчете УРЧ в диапазоне MB устойчивый коэффициент усиления может оказаться слишком малым, в этом случае его можно повысить применением кас- кодной схемы на биполярных транзисторах (рис. 11) или полевых транзисторах. Если контур УРЧ имеет фиксированную настройку, то все расчеты производят для фиксированной частоты fо. Параметры контура Ск, Lк и емкости делителя С1 и Сг, (если он имеется) рассчитывают так, как в 5.3, формула (5.20), п.п. 1-4 данной методической разработки.

Если резонансный УРЧ строится на основе ИС малой степени интеграции, то его рас- чет можно производить по вышеуказанной методике, так как колебательный контур в этом случае также является внешним элементом схемы. При расчётах используются параметры ИС, указанные в справочниках, или рассчитываются по методике.

13. Рассчитывают цепи смещения. Для расчета параметров цепей смещения транзистора должны быть известны (заданы) ток Iк и Uко в рабочей точке, а также напряжение источника питания Uи.

Сопротивления резисторов R1,Rг, R3 и конденсатора Сз, обеспечивающих тре- буемый режим работы транзисторов по постоянному току в схемах рис. 9, рассчи- тывают в следующем порядке:

а) задавшись падением напряжения на резисторе R3, создаваемым током эмитте- ра, (UR3 = 1-2 В) и приняв Iко ~ Iэо рассчитывают сопротивление резистора Rз



Рисунок 11. Схема резонансного каскодного УРЧ на биполярных транзисторах



14. Рассчитывают и строят резонансную характеристику σ дБ = f (Δf) по форму- ле (5.11), выбирая значения Δf и количество точек расчета кривой в зависимости от величины fnp. Максимальное значение Δfmax должно быть равно Δf max =2fnp = Δf3 - расстройке зеркального канала (см. рекомендации 5.1, 5.2, 5.3 к расчету резонанс- ной характеристики данной методической разработки).

5.5 Расчет резонансного усилителя радиочастоты с электронной настройкой

Схема резонансного УРЧ, выполненного на полевом транзисторе с двумя изоли- рованными затворами, с настройкой контура на заданную частоту диапазона f0 вари- капами приведена на рис.10.

Перестройка контуров в преселекторе радиоприемника с помощью варикапов – емкостных диодов - имеет существенные преимущества по сравнению с другими методами настройки (КПЕ или катушками переменной индуктивности), которые состоят в следующем:
  • облегчается одновременная и согласованная настройка большого числа контуров;
  • отсутствуют механические элементы настройки;
  • легкость осуществления АПЧГ и др.

Основным недостатком данного способа настройки радиоприемников является нелинейность, вносимая варикапом в тракт преселектора, в результате чего при од-

новременном воздействии на вход радиоприемника сигналов нескольких радиостан- ций образуются комбинационные сигналы, создающие побочные каналы приёма. Для уменьшения нелинейности, вносимой варикапом, применяется их встречное вклю- чение, как показано на рис. 10.

Расчет схемы резонансного УРЧ с настройкой контура варикапами включает в себя следующие пункты.

  1. Расчет параметров перестраиваемого контура.
  2. Расчет параметров цепей смещения, обеспечивающих определенный режим работы транзистора.
  3. Расчет коэффициентов включения контура в выходную цепь транзистора УРЧ т1 и во входную цепь транзистора (или ИС) следующего каскада m2), а также рас- чет резонансного Ко и устойчивого коэффициентов усиления.
  4. Расчет резонансной характеристики.

Рассмотрим порядок расчета в каждом пункте.

Расчет параметров перестраиваемого контура

1. Рассчитывают коэффициент перекрытия заданного диапазона частот (с запа- сом по перекрытию) по формуле




где

2. Рассчитывают коэффициент, характеризующий пределы изменения управля- ющего напряжения на варикапах (или варикапной матрице), - коэффициент перек- рытия диапазона по напряжению

Учитывая значительную нелинейность варикапов и уменьшение их добротности QB при малом управляющем напряжении, можно принять в расчете (Uemin~= 4В).

Максимальное управляющее напряжение ограничивается обратным максималь- ным напряжением UBобр.max

UВmax =UВ обр. max

3. Определяют коэффициент перекрытия по напряжению с учетом контактной разности потенциалов ф которая для кремниевых варикапов равна ф = 0,8 В.



где U'emax- максимальное напряжение варикапа, при котором эквивалентная емкость равна Сэтin, а резонансная его частота равна f0 max; U0min соответствует Сэmах и f'omin контура.

4. Вычисляют эквивалентную емкость схемы Ссх, при которой выбранные варика- пы (или варикапная матрица) обеспечат перекрытие заданного диапазона.



где Св.общ max - общая максимальная емкость двух встречно-последовательных вклю- ченных варикапов, определяемой из справочников для выбранного типа варикапов


при минимальном подводимом к нему напряжении UВmin = 4В.






где Спд - емкость подстроенного конденсатора С5;

См - емкость монтажа;

Cl - межвитковая емкость катушки индуктивности;

Свн - емкость, вносимая со стороны входа смесительного каскада ПЧ.

6. Вычисляют полную эквивалентную емкость контура:

■ для минимальной частоты настройки f0min по формуле:



включенных варикапов (или варикапной матрицы).

7. Рассчитывают необходимую индуктивность контура



где L1мкГн; f0max МГц; СЭmin пФ.

8. Рассчитывают собственность добротность варикапов:

■ для f0min по формуле:

1



где RB 0бщ - общее сопротивление двух встречно последовательно включенных варикапов (или варикапной матрицы), равное удвоенному сопротивлению одного варикапа RB 0бЩ = 2 RB.
  1. Рассчитывают собственную добротность контура Q с учетом добротностей варикапов QB по формуле



где QK - конструктивная добротность контура, определяемая по табл.2

■ для максимальной частоты настройки fomax по формуле:



■ для максимальной частоты настройки fomin по форме:

Расчет параметров цепей смещения


Для расчета параметров цепей смещения необходимо выбрать режим работы транзистора и соответственно значения тока стока IСТ0, напряжения стока Uсто, пер- вого затвора Uз2о, второго затвора Uз2o. Например, для транзистора КП350 опти- мальный режим работы по постоянному току соответствует Iсто = ЗмА, UCT0 = +10B,Uз1о = +0,5 В, U32o = +8 В.

Надо также обосновать выбор величины и полярности напряжения источника питания Un.

Расчет цепей смещения можно производить в следующем порядке:

1 Рассчитывают цепь смещения первого затвора. Для этого следует задаться паде- нием напряжения Ur5 на резисторе R5. учитывая, что ток затвора I3io < 0,3 мА, можно считать Ur5= ~ +0,5В, при этом сопротивление резистора R5 можно определить по формуле



Вычисляют падение напряжения Ur8 на резисторе R8 развязывающего фильтра в цепи питания стока транзистора по формуле




Рассчитывают сопротивление резистора R8







Рассчитывают сопротивления резисторов R1 и R2 делителя напряжения в цепи первого затвора из тех соображений, чтобы они не оказывали заметного влияния на эквивалентную добротность Οэ контура входной цепи, т.е. чтобы шунтирующее действие резисторов R1 и R2 на входной контур было минимальным.

При этом напряжение на первом затворе не должно изменяться под действием тока затвора Uз1о более, чем на 0,1В. Учитывая это требование, получаем неравен- ство



UR1+ R2 - падение напряжения, создаваемое током делителя цепи смещения на суммарном сопротивлении резисторов R1 и R2, можно определить из равенства Uri+r2 = Uи - UR8.






Зная сопротивление резистора R1, можно рассчитать сопротивление резистора R2 по

2. Рассчитывают цепь смещения второго затвора.

Сопротивление резистора R3 и R4 делителя напряжения рассчитывают из


следующих соображений



Ток делителя можно принять равным IД = 1 мА. Падение напряжения UR3 на резис- торе R3 равно UR3 = Uз2о + UR5.

Отсюда находим сопротивления резисторов



Расчет коэффициента включения и резонансного коэффициента усиления

Расчет коэффициентов неполного включения т1 и m2 контура в выходную цепь транзистора VT1 (рис.10) и во входную цепь смесительного каскада можно выполнять по формуле (5.22) методической разработки. Расчет резонансного К0 и устойчивого Ку коэффициентов усиления производят по формулам (5.23) и (4.14).

Расчет резонансной характеристики σдБ = f(Δf) производят в соответствии с рекомендациями в 5.4., п. 14 метод, разработки.

5.6 Расчет каскодного резонансного усилителя радиочастоты

Расчет каскодной схемы УРЧ (рис.11) не имеет особенностей, за исключением того, что резонансный коэффициент усиления первого каскада с транзистором VT1 близок к единице



где S1 - крутизна коллекторного тока VT1, мА/В;

Rвх.об - входное сопротивление каскада при включении транзистора по схеме с ОБ,



Так как К01 ~ 1, то можно считать что общий коэффициент усиления каскодной схемы определяется по формуле (5.44) справедливой для однокаскадного резо- нансного усилителя с сравнительно большим выходным сопротивлением и вклю- чением УЭ по схеме ОЭ или ОИ.

Порядок, расчета и расчетные формулы такие же, как в 5.4 данной методиче-, ской разработки. Допустимое падение напряжения Ur4 на резисторе R4 можно оп- ределить по формуле



где Uкэо1 и Uкэо2 - напряжение между коллектором и эмиттером соответственно транзисторов VT1 и VT2, определяемые по справочнику для рабочего режима по постоянному току, т.е. в рабочей точке.

Режим работы транзисторов VT1 и VT2 и токи IК01 и Iко2 выбирают также, как и для схемы рис.9: Iко = 1-3 мА.

Так как напряжение на коллекторе VT1 одновременно является напряжением, действующим на эмиттере VT2, то для компенсации этого напряжения надо пра- вильно рассчитывать делитель напряжения Rl, R2 и R3, учитывая следующие соотношения



5.7 Расчёт преобразователя частоты (ПРЧ)

К преобразователям частоты радиоприемников супергетеродинного типа (рис. 12, 13, 14 и 15) предъявляются требования получения достаточно большой крутизны преобразования Sпр минимального уровня выходного напряжения, паразитных ком- бинационных колебаний, обусловленных нелинейными искажениями, и паразитных каналов приема. Поэтому в смесительных каскадах ПЧ необходимо применять УЭ с характеристиками, близкими к квадратичным. В настоящее время в связных и высо- кокачественных радиовещательных приемниках, смесительные каскады выполняют на полевых транзисторах с р-n, затвором и с изолированными затворами.

Применение ПЧ с отдельным гетеродином позволяет выполнить приемник с вы- сокими качественными показателями, так как можно обеспечить оптимальный ре- жим работы УЭ смесителя, форму напряжения гетеродина Ur, близкую к синусои- дальной, высокую стабильность частоты гетеродина fг (применить кварцевую стабилизацию fг, синтезатор частот fт).

Для уменьшения эффективности по побочным каналам приема режим работы УЭ смесительного каскада надо выбирать так, чтобы его рабочая точка находилась на квадратичном участке входной (или проходной) характеристики, т.е. на линей- ном участке характеристики крутизны, и под влиянием синусоидального изменения Ur происходило синусоидальное изменение крутизны УЭ.

Балансная схема ПЧ на полевых транзисторах по сравнению со схемой смесите- ля с одним транзистором позволяет увеличить крутизну преобразования Snp на пер- вой гармонике fr и уменьшить на выходе уровень напряжений комбинационных ча- стот преобразования относительно уровня напряжения полезного сигнала (коэф- фициент интермодуляции).

Наиболее часто в смесительных каскадах применяется включение биполярны транзисторов, с ОЭ или ОИ полевых транзисторов. Это объясняется возможностью применения транзисторов с граничной частотой fT, значительно большей максимально рабочей частоты fomax.

Наиболее часто в смесительных каскадах применяется включение биполярны транзисторов, с ОЭ или ОИ полевых транзисторов. Это объясняется возможностью применения транзисторов с граничной частотой fT, значительно большей максимально рабочей частоты fomax.

Порядок расчета смесительной части преобразователя частоты
  1. Выбирают режим работы транзистора смесительного каскада по постоянному току 1К0,Uбэо при котором нелинейные искажения и эффективность приема по пара- зитным каналам минимальны, а также .амплитуду синусоидального напряжения ге- теродина Ur, обеспечивающую синусоидальное изменение крутизны УЭ и максима- льный выходной ток, не превышающий его максимально допустимой величины, указанной в справочнике.
  2. Рассчитывают эквивалентные параметры преобразования.
  3. Рассчитывают параметры широкополосного согласующего контура при при- менении полосового фильтра типа ПКФ или ЭМФ (рис.13, 14 и 15).




Рисунок 12. Схема преобразователя частоты с отдельным гетеродином на биполярных транзисторах и ФСС на LC элементах




Рисунок 13. Схема преобразователя частоты с отдельным гетеродином и ПКФ на биполярных транзисторах


Если применяется ФСС на LC, элементах или двухконтурный полосовой фильтр (рис. 12), то надо рассчитать их параметры.

4. Рассчитывают коэффициенты включения m1 и m2 полосового фильтра основ- ной селекции (ПКФ, ЭМФ и др.) в выходную цепь транзистора смесительного каска- да и во входную цепь следующего каскада УПЧ.

  1. Рассчитывают резонансный коэффициент усиления (передачи) напряжения ПЧ – Копр.
  2. Проверяют устойчивость работы ПЧ Копр < Купр
  3. Рассчитывают цепи, определяющие требуемый режим работы смесительного каскада.





Рисунок 14. Схема смесителя преобразователя частоты с отдельным гетеродином на полевом транзисторе с двумя изолированными затворами



Рисунок 15. Схема преобразователя частоты с отдельным гетеродином на полевом транзисторе с изолированным затвором