Схемы УВЧ. 
Электроника и схемотехника

Коэффициент шума N приемника определяется собственными шумами и усилением мощности его первых каскадов (рис. 3.37):

Рис. 337. Схема для определения коэффициента шума приемника.

Из выражения (3.37) следует, что для уменьшения N необходимо уменьшать собственные шумы ЛГ, УВЧ (совместно с входной цепью и антенной) и увеличивать его коэффициент усиления мощности К_р,. При К_Р1 >10 собственные шумы преобразователя частоты и усилителя промежуточной частоты практически не оказывают влияния на коэффициент шума приемника. По этой причине УВЧ содержит один-два усилительных каскада.

На умеренно высоких частотах наибольшее распространение нашла схема УВЧ с ОЭ, позволяющая получить максимальное усиление номинальной мощности при небольшом уровне собственных шумов. На рис. 3.38 изображены два варианта схем с ОЭ перестраиваемых УВЧ. В схеме на рис. 3.38, а используется последовательное питание базовой и коллекторной цепей. Напряжение смещения снимается с резисторного делителя напряжения /?_Б1, R_m и подается на базу транзистора через катушку индуктивности контура входной цепи L_KC_K. Блокировочный конденсатор С_6л выполняет две функции:

• • разделяет точку съема напряжения смещения от общей точки схемы, обеспечивая доступ постоянного напряжения на базу;
• • совместно с конденсатором С_э подключает источник сигналов непосредственно к переходу база — эмиттер транзистора, минуя делитель напряжения R_bV /?_Б2.

Параллельная цепь R₃C₃ служит для стабилизации режима по постоянному току с сохранением усиления каскада.

Напряжение питания на коллектор поступает от источника Е_к через фильтр Д_фС_ф, который служит для развязки УВЧ по цепи питания от других каскадов приемника, и выходной контур L_KC_K. Конденсатор фильтра С_ф выполняет функции, сходные с С_6л.

В схеме УВЧ с параллельным питанием базовой и коллекторной цепей (рис. 3.38, б):

• в базовой цепи источник сигналов, которым служит входная цепь L_KC_K, и источник напряжения смещения в виде резисторного делителя напряжения R_BV R_m разделены по постоянному току с помощью конденсатора С_р, который также обеспечивает непосредственный доступ сигнала на базу транзистора;

Рис. 338. Схемы высокочастотных усилителей с общим эмиттером: с последовательным (а) и параллельным (б) питанием базовых и коллекторных цепей.

• в коллекторной цепи по такому же принципу с помощью конденсатора С_р разделены источник питания коллектора постоянным напряжением и выходной ?_кС_к-контур (нагрузка). Напряжение питания на коллектор транзистора подается через дроссель I, который не ухудшает добротности выходного контура, внося в него лишь небольшую расстройку.

На рис. 3.39 приведены схемы УВЧ с ОБ, которые находят применение в У KB-диапазоне благодаря большому значению устойчивого коэффициента усиления.

Рис. 339. Схемы высокочастотных усилителей с общей базой: с последовательным (а) и параллельным (б) питанием базовых и коллекторных цепей В отличие от каскадов с ОЭ в УВЧ с ОБ источник сигналов в виде ?_кС_к-контура входной цепи включается в эмиттерную цепь транзистора последовательно (рис. 3.39, а) или параллельно (рис. 3.39, б) резистору /?_э. Напряжение смещения на базу при обоих способах питания базовых цепей подается с резистивного делителя напряжения R_V)V /?_Б2, при этом база по высокой частоте подключена к общей точке схемы через малое сопротивление конденсатора С_Б. Коллекторные цепи не имеют отличий от схемы УВЧ с ОЭ.

Среди двухкаскадных схем УВЧ следует выделить каскодную схему ОЭ—ОБ, совмещающую в себе достоинства обеих схем. На рис. 3.40 приведена каскодная схема УВЧ с последовательным питанием базовой и коллекторной цепей. В этой схеме используется непосредственная связь между каскадами с ОЭ и ОБ. Напряжение смещения на базы транзисторов VT_v VT₂ подается через делитель напряжения, составленный из резисторов R_V)V /?_Б2, R_m. Схемы входной и выходной цепей не отличаются от аналогичных цепей каскадов с ОЭ и ОБ.

Рис. 3.40. Каскадная схема.

Оценка свойств УВЧ. Для выявления усилительных и избирательных свойств, определения устойчивого коэффициента усиления и коэффициента шума УВЧ использовалась обобщенная схема преселектора (рис. 3.41), содержащего входную цепь приемника и УВЧ.

Рис. 3.41. Схема замещения преселектора На схеме обозначено: /_л, У_А источник сигналов (антенна) и его внутренняя проводимость; У_к1 — контур входной цени; К_к2 — выходной контур УВЧ; Y_n — проводимость нагрузки; 1—1,2—2 — входные и выходные зажимы четырехполюсника с У-нараметрами, отображающего транзистор (ы) УВЧ. с цепями питания по постоянному току; р_{ j = U_A/U_KVp_{{ 2} ⁼ U_t/U_Kl — коэффициенты включения антенны .и входа УВЧ к контуру входной цепи; р₂, = U₂/lУ_к2, р_{2 2} = = U_h/U_k2 — коэффициенты включения выходной цепи УВЧ и нагрузки к выходному контуру.

В результате анализа схемы УВЧ получено следующее выражение коэффициента усиления на резонансной частоте [61]:

Исследовав функцию (3.38) на максимум, найдем оптимальные значения коэффициентов связи транзистора и нагрузки с контуром, а также максимальный коэффициент усиления УВЧ при настройке контура в резонанс на частоту сигнала:

где S — крутизна вольт-амперной характеристики транзистора.

Избирательные свойства УВЧ определяются АЧХ колебательного контура с учетом нагрузки и выходной проводимости транзистора. Показателем для количественной оценки избирательности служит ослабление сигнала (помехи) с известной частотой со, но отношению к полезному сигналу: 8 = К₀/К (со). По АЧХ определяется также полоса пропускания УВЧ, в которой коэффициент усиления К (со)>0,7071Х₀.

Наличие внутренней обратной связи в транзисторе, обусловленной проводимостью У₁₂ «усоС₁₂, может привести к регенерации и даже к самовозбуждению УВЧ, и он перестанет выполнять свои функции. Это обстоятельство обусловлено двумя факторами. Вопервых, действие обратной связи на высоких частотах становится более эффективным. Во-вторых, на некоторых частотах может возникнуть положительная обратная связь, что обусловлено наличием колебательных контуров во входной и выходной цепях. При положительной обратной связи на вход усилителя со стороны выхода вносится отрицательная проводимость и, когда суммарная проводимость У_Ь1 между зажимами 1 — 1 становится меньше нуля, начинается процесс генерирования колебаний. Для устойчивой работы усилителя необходимо не только гарантировать отсутствие самовозбуждения, но и обеспечить незначительное изменение его характеристик, обусловленное регенерацией. Поэтому проводимость У_Ь1 всегда с большим запасом должна оставаться положительной.

Для определения устойчивого коэффициента усиления необходимо выявить условия самовозбуждения УВЧ при отключенном источнике 1_Л (см. рис. 3.41), выразить его через коэффициент усиления К с определенным запасом по устойчивости.

Проводимость У,_, между зажимами 1 — 1 равна сумме проводимости входной цени с антенной и входной проводимости УВЧ (см. формулу (3.10)). Ее выражение имеет вид.

I.

При Fj_, = 0 наступает самовозбуждение. На основании выражения (3.39) условие самовозбуждения представим в виде следующего соотношения:

I.

где У_э1, У_э2 — полные прводимости входного и выходного контуров увч:

Соотношение (3.40) можно представить в виде двух равенств, которые в теории самовозбуждения называются балансом амплитуд и балансом фаз. Из соотношения для баланса фаз отыскивается обобщенная расстройка Е, контуров |62|, при которой обратная связь является положительной. Найденное значение Е, = 1 соответствует крайней точке полосы пропускания. После подстановки Е, = 1 в соотношение для баланса амплитуд определяется устойчивый коэффициент усиления УВЧ. Для У₁₂ = ja>_l2, У₂₁ = 5, У_э1 = У_э2 = = G_}( 1 + jE,) получено [61 ]

Из равенства (3.41) следует, что чем больше крутизна 5, меньше проходная емкость С₁₂ транзистора и рабочая частота, тем больше устойчивый коэффициент усиления УВЧ. Следует отметить, что впервые подобное выражение было получено В. И. Сифоровым для ламповых усилителей.

Для определения коэффициента шума используется эквивалентная шумовая схема (рис. 3.42), состоящая из шумовых схем антенны и контура входной цени, представленных шумовыми источниками тока и активными проводимостями, и транзистора.

Рис. ЗЛ2. Эквивалентная шумовая схема УВЧ на резонансной частоте В эквивалентной шумовой схеме транзистора содержится два источника шумов:

• • генератор шумового тока, учитывающий тепловые, дробовые шумы и шумы токораснределения базы. Эти шумы относят к активной составляющей входной проводимости транзистора G, и оценивают относительной шумовой температурой входной проводимости ?_и;
• • генератор шумового напряжения, учитывающий дробовые шумы и шумы токораспределения коллектора. В качестве шумового параметра используют шумовое сопротивление.

Источники включают в базовую цепь транзистора, сам транзистор является нешумящим. Выходной контур УВЧ представляет собой эквивалент источника для следующего каскада и поэтому не учитывается. На схеме обозначено: G_A, G_K — активные проводимости антенны и контура входной цени, пересчитанные к входным зажимам УВЧ с помощью коэффициентов включения р_{{ ]} и р_{{ 2}; /_1пА, /_шк, /_ш11 — соответственно источники тока шумов антенны, входной цепи и транзистора, U_m — источник напряжения транзистора. Ниже приведены выражения для средних квадратов шумовых токов и напряжения:

где Т₀ = 293 К — стандартная (комнатная) температура.

Заменим шумовой источник напряжения эквивалентным ему шумовым источником тока.

Шумовой источник тока /_ш подключается параллельно другим шумовым источникам тока, при этом в эквивалентную шумовую схему не вносится никакой проводимости. Это обусловлено тем, что шумовая ЭДС U_m нс имеет собственного сопротивления и создаваемые ЭДС шумы относят к воображаемому сопротивлению R_m.

Коэффициент шума определяется как отношение суммы усредненных квадратов всех шумовых токов во входной цепи УВЧ к усредненному квадрату шумового тока, создаваемого антенной [61]:

Отмстим, что соотношение (3.42) для коэффициента шума справедливо для различных схем УВЧ при использовании биполярных и полевых транзисторов.