Линейный тракт. ФП1П-041. Упи н. П. Никитин, В. В. Кийко проектирование радиоприемных устройств на базе аналоговых блоков учебное пособие Научный редактор доц канд техн наук В. И. Елфимов Екатеринбург 2004 2
 Скачать 1.95 Mb.
|
|
ПЧ К УРЧ К ПЧ a б К К ПЧ в 57 где – избирательность, 0 f – частота настройки преселектора, f – частота побочного канала приема, Э – добротность нагруженного контура. Добротность Э контуров преселектора обычно имеет следующие значения на частотах 0,1…1,5 МГц Э = 30 — 50; на частотах 1,5…6 МГц Э = 40 — 80; на частотах 6…30 МГц Э = 50 — 120. Ориентируясь на среднее значение добротности Э = 50 и преселектор, состоящий из n одиночных контуров, можно оценить минимальное значение промежуточной частоты однократного преобразования, обеспечивающее заданную избирательность ЗК по зеркальному каналу, последующей методике. Оценивается параметра при n контурах Э 2 ЗК Q a n Далее вычисляется нижняя граница для значения промежуточной частоты П 2 2 Значение промежуточной частоты выбирается из ряда стандартных частот по правилу min П П f f . Расчет начинают с n = 1 (см. риса. Если результат не удовлетворяет, количество контуров увеличивают, переходя к схемам, показанным на рис. 31, били, в. Если количество контуров оказывается слишком большим, или промежуточная частота слишком высокой, переходят к двукратному преобразованию частоты. При этом первая промежуточная частота выбирается из соотношения min П П f f , а вторая – из ряда стандартных частот (при АМ - сигнале обычно это 465 или 450 кГц. Стандартная промежуточная частота при приеме ЧМ - сигналов составляет 10,7 МГц. В ТВ-приемниках выбирают (стандарты D / K) промежуточные частоты каналов изображения и звукового сопровождения соответственно 38 и 31,5 МГц. После выбора номиналов промежуточных частот и схемы преселектора оценивают избирательность по зеркальному (при двукратном преобразовании еще и по второму зеркальному) каналу и по каналу прямого прохождения. Значение избирательности выражают в децибелах. 2.5. Определение избирательной системы тракта промежуточной частоты Избирательная система тракта промежуточной частоты определяет его полосу пропускания и избирательность по соседнему каналу. Сравнительно невысокие требования к избирательности радиовещательных приемников обычно удовлетворяются при однократном 58 преобразовании частоты. В случае АМ - сигнала промежуточную частоту выбирают из следующего ряда 110 ; 450; 465 ; 500 ; 930 кГц или 1,6 МГц. Наиболее употребительны частоты 465 и 500 кГц. Стандартной промежуточной частотой ЧМ - приемников является частота 10,7 МГц. Одновременно с выбором промежуточной частоты выбирается и способ обеспечения заданной избирательности. Используется либо распределенная по каскадам селекция, либо ставится ФСС — фильтр сосредоточенной селекции, чаще всего сразу после смесителя. Если выбрана сосредоточенная селекция, то используются слабо избирательные или даже апериодические каскады УПЧ. В современных приемниках рекомендуется применение ФСС. В табл. 2, 3 приведены основные параметры пьезоэлектрических фильтров, используемых в приемниках АМ и ЧМ - сигналов. Таблица 2 Параметры ФСС для АМ - приемников Параметры фильтра Тип фильтра ФП1-022 ФП1П-023 ФП1П-026 ФП1П-041 П, кГц 465 2 465 2 465 2 465 2 F , кГц 12,5 2 9,5 2 8,5 2 5,8 1,2 C , дБ 26 40 26 55 ПП , дБ 9,5 9,5 9,5 9,5 ВХ R , кОм 2 2 2 2 ВЫХ R , кОм 2 2 2 2 Обозначения, принятые в табл. 2: П – частота настройки фильтра, F – полоса пропускания, C – затухание за пределами полосы пропускания, ПП – затухание в полосе пропускания, ВХ R и ВЫХ R – входное и выходное сопротивления фильтра. 59 Таблица 3 Параметры ФСС для ЧМ - приемников Тип фильтра Параметры фильтра П, МГц F , кГц K 0,05 ПП , дБ ВХ R , Ом ВЫХ R , Ом С ФП1П-049а 10,7 0, 1 175 25 3 10 330 330 20 ФП1П-049б 10,7 0, 1 240 40 2,5 10 330 330 20 Здесь K 0,05 – коэффициент прямоугольности по уровню 0,05, С – шунтирующая емкость. Пьезокерамические фильтры сегодня пользуются огромной популярностью у разработчиков массовой аппаратуры, поскольку они малогабаритны, технологичны, хорошо сохраняют свои селективные свойства на протяжении долгого времени, недороги. Поэтому «пьезокерамику» производят многие зарубежные фирмы, причем их продукция примерно одинакова по параметрам, номенклатуре и качеству. В качестве примера в табл. 4 приведены характеристики фильтров, выпускаемых фирмой Murata. Таблица 4 Фильтры фирмы Murata Тип фильтра Характеристики фильтра F 0,7 , кГц F 0,1 , кГц ПП , дБ C , дБ SFE 10,7 MA5-A 280 650 4-6 30-43 SFE 10,7 MS2-A 230 600 4-6 40-45 SFE 10,7 MS3-A 180 520 4,5-7 40-45 SFE 10,7 MJ10-A 150 360 4,5 2,0 35-44 Пьезокерамический фильтр должен быть согласован с входной и выходной нагрузками. В ЧМ - приемниках рекомендуются в качестве нагрузки с обеих сторон сопротивления порядка 330 Ом. Возможно также применение ФСС других типов электромеханических, на элементах. Методику расчета многозвенных LC- фильтров нетрудно найти в литературе. Допустимо применение УПЧ с распределенной избирательностью на основе каскадов, в которых используется нагрузка в виде пары связанных контуров. При расчете профессиональных КВ-приемников в большинстве случаев потребуется применение двукратного преобразования частоты. Для КВ- приемников магистральной связи рекомендуется инфрадинная схема 60 построения. Первая промежуточная частота выбирается выше максимальной частоты сигнала. Хорошие результаты по избирательности обеспечивают полосовые кварцевые фильтры, настроенные на первую промежуточную частоту. Они представляют собой сложную многорезонаторную систему, в состав которой входят (помимо резонаторов) согласующие ВЧ - трансформаторы, подстрочные элементы и т. д. Кварцы включают по дифференциально-мостовой схеме, помещают в общий экран и герметизируют. Выпускаются фильтры с частотами настройки 40; 45; 55,5 МГц и др. К таким фильтрам относятся ФП2П-2-1; ФП2П-4-1. Имеются великолепные японские, американские и западноевропейские изделия. Характеристики фильтра ФП2П-4-1-В Номинальная частота, МГц …………………………... 55,5 Полоса пропускания по уровню 3 дБ, кГц ...………… 16 Затухание в полосе задержания, дБ, не менее ………. 60 Коэффициент передачи в полосе пропускания ……... 0,2 В современных приемниках достаточно широко используются монолитные кварцевые фильтры, представляющие собой решетку из электродов, попарно осажденных на поверхности кварцевой подложки. Пары электродов действуют как резонаторы, а участки между ними – как элементы связи. По сравнению с кварцевыми фильтрами, собираемыми из дискретных компонентов, монолитные фильтры обладают более высокой надежностью и обеспечивают миниатюризацию аппаратуры. Диапазон рабочих частот монолитных кварцевых фильтров от 2,5 до 150 МГц, полоса пропускания от 0,001 до 0,3% от средней частоты фильтра. Параметры фильтров близки к параметрам, приведенным в табл. 5. Для согласования с предыдущими последующим каскадами используются согласующие цепи в виде контуров с неполным емкостным подключением. С учетом согласующих цепей и дополнительной экранировки фильтр обеспечивает результирующее внеполосное затухание примерно 70 дБ. Перспективны для применения также фильтры на поверхностных акустических волнах (ПАВ, которые обладают малыми габаритами и массой, низкой стоимостью и высокой воспроизводимостью параметров (табл. 6, 7). Оценивая избирательность УПЧ КВ-приемников, следует учитывать интермодуляционные искажения. Поэтому должны быть приняты все меры по улучшению линейности высокочастотного тракта выбор транзистора более высокой мощности, оптимизация рабочей точки, введение линейной отрицательной обратной связи, использование каскодных схем включения. Вторая ПЧ выбирается из стандартного ряда (см. выше. Используются уже описанные средства избирательности. Основное усиление приемника обеспечивается в УПЧ-2. Проверяется избирательность по соседнему и второму зеркальному каналам приема. 61 В тракте промежуточной частоты телевизионного приемника в силу достаточно сложного характера ТВ-сигнала, содержащего компоненты сигнала изображения и сигнала звукового сопровождения, используются фильтры различного назначения. Основной фильтр, устанавливаемый на входе УПЧИ с совмещенными каналами звука и изображения, предназначен для формирования сложной амплитудно-частотной характеристики. Эта характеристика должна иметь три основных участка для приема сигналов изображения, для приема сигналов звукового сопровождения и спад Найквиста для обеспечения неискаженного детектирования. Фильтр должен также обеспечивать заданное ослабление соседних каналов приема. В настоящее время он обычно выполняется как фильтр на ПАВ. Фильтры представляют собой высокоспециализированные устройства. Их выпуском занимается ряд зарубежных фирм. Характеристики некоторых таких фильтров приведены в табл. 6. Кроме основного фильтра в телевизионных приемниках используется – режекторный фильтр в канале изображения, подавляющий сигнал звукового сопровождения – полосовой фильтр в канале звукового сопровождения, выделяющий сигнал второй ПЧ звука и не пропускающий сигнал изображения. 62 Таблица 5 Параметры ФСС на объемных волнах Диапазон средних частот, МГц Полоса пропускания, кГц Избирательность ВХ R , кОм ВЫХ R , кОм ВХ С , пФ ВЫХ С пФ Затухание в полосе прозрачности, не более дБ Расстройка, кГц Затухание, дБ 0,1 – 1,0 2 – 10 10 26 – 55 0,5 – 7 2 - 7 – – 5 – 12 1,0 – 5,0 4 – 10 10 – 20 20 – 50 10 50 300 28 50 40 1 – 5 1 – 5 20 – 40 30 – 200 5 – 12 5,0 – 10 10 – 20 20 – 50 50 – 250 30 100 550 80 63 26 0,6 – 5 0,25 – 1,5 10 – 30 10 – 60 5 – 12 10 – 25 10 – 20 20 –50 50 – 250 20 50 500 60 70 60 0,6 – 1,5 0,6 – 1,5 10 – 20 10 – 20 6 – 12 25 – 50 40 – 250 5000 40 0,2 – 0,5 0,2 – 0,5 10 10 10 – 20 63 Таблица 6 Фильтры на ПАВ для ТВ - приемников Тип фильтра ВХ R , Ом ВХ С , пФ ВЫХ R , Ом ВЫХ С , пФ ПЧИ, МГц Стандарт Тип канала звука КФПА2999 1100 8 3800 3,3 38,9 B/G, D/K Совмещенный КФПА2992 1300 13,5 3200 5,5 38,0 B/G, D/K Совмещенный КФПА1009 270 80,0 260 53 38,0 D/K Совмещенный КФПА1997 850 22 580 36 38,0 D/K Параллельный КФПА1994 250 60 210 66 31,5* D/K Параллельный КФПА2012 950 18 2800 5,0 38,0 B/G, D/K Квазипаралле льный КФПА2013 850 17,4 2800 4,5 38,9 B/G, D/K Квазипаралле льный. *) Промежуточная частота звукового сигнала. Таблица 7 Параметры фильтров на ПАВ Центральная частота, МГц Полоса пропускания, МГц Потери, дБ Коэффициент прямоугольности Затухание полосы, дБ Неравномерность АЧХ в полосе пропускания, дБ 10,7 0,38 20 1,5 50 – 34,5 1,6 0,65 – – 0,04 140 40 20 – – 0,1 168 12 14 1,2 – – 225 6 10 – – 0,3 287 6 10 – – – 300 1,2 6 – – – 306 40 17 1,35 – 0,6 328 3 5 2 48 0,5 920 30 34 1,6 – – Выбор фильтров определяется стандартом ТВ-сигнала, определяющим значение второй промежуточной частоты звукового сопровождения (6,5 или 5,5 МГц. Примеры пьезокерамических фильтров ФП1П8-62.01, ФП1П8- 62.02, (полосовые ФП1Р8-63.01, ФП1Р8-63.02 (режекторные). 64 Тракты промежуточной частоты радиолокационных приемников строятся как на основе распределенной, таки на основе сосредоточенной селекции. В случае распределенной селекции для расширения полосы пропускания УПЧ применяют расстроенные двойки или тройки каскадов, а также смешанную схему. В качестве ФСИ применяют фильтры, пьезокерамические и кварцевые фильтры, интегральные фильтры на ПАВ. 2.6. Выбор первых каскадов приемника Первые каскады приемника в значительной степени определяют его чувствительность. Для обеспечения высокой чувствительности требуется применение, как правило, одного каскада УРЧ после ВЦ. Реальная чувствительность приемника определяется его коэффициентом шума N. В отсутствие и при наличии УРЧ имеем соответственно СМ УПЧ СМ ВЦ 1 К УРЧ СМ УРЧ ВЦ 1 1 P P К N N K N Учитывая, что коэффициент шума усилителя Тр УРЧ 2N N , а преобразователя частоты Тр СМ 4N N , где Тр N - паспортное значение коэффициента шума транзистора (используется безразмерная величина, рассчитываем значение коэффициента шума приемника без УРЧ и при наличии УРЧ. Эта величина сравнивается с допустимым коэффициентом шума, обеспечивающим заданную чувствительность A E (или A P для радиолокационных приемников ш 2 A ДОП П 4 R kT E N ; ш 0 A ДОП П kT P N Здесь значения A E и A P имеют размерность соответственно В и Вт 21 0 10 4 kT Вт/Гц; П 1 , 1 П Ш - шумовая полоса, Гц γ - допустимое отношение мощности сигнала к мощности шума на выходе линейного тракта приемника (те. до демодулятора, A R - активное сопротивление антенны, Ом. При определении отношения сигнал / шумна входе демодулятора выходе линейного тракта) приходится учитывать несколько факторов. Прежде всего, на выходе приемников разных типов для работы оконечного аппарата требуется различное отношение сигнал / шум для профессионального связного приемника ─ порядка 10 (10 дБ, для вещательного АМ - приемника ─ порядка 100 (20 дБ, для вещательного ЧМ - приемника ─ 400 (26 дБ, для ТВ - приемника сигналов изображения ─ 1000 (30 дБ. Кроме того, при 65 демодуляции отношение сигнал / шум может существенно изменяться при амплитудной модуляции (m = 0,3) оно ухудшается, при широкополосной частотной (Ψ > 1) ─ наоборот, улучшается. Наконец, чувствительность может оцениваться как при отсутствии внешних помех, таки при их наличии. Ориентировочно, оценивая порядок величины γ, можно считать, что в случае частотной модуляции достаточно обеспечить работу ЧД в надпороговой области, и принимать γ =10 (10 дБ. Для профессиональных приемников АМ - сигналов требуется γ =100 (20 дБ, а для вещательных приемников γ = 1000 (30 дБ. Для тракта изображения ТВ - приемников принимают γ = 1000 (30 дБ, а для радиолокационных приемников ─ γ = 10 (10 дБ. Решение о необходимости применения УРЧ принимается на основе требования ДОП N N Однако в случае высоких требований по подавлению зеркального канала ЗК допускается применение УРЧ ив том случае, когда по соображениям достижения заданной чувствительности УРЧ не является необходимым. Сопротивление антенны обычно принимают равным 75 A R 300 Ом. 2.7. Выбор электронных приборов для высокочастотного тракта Используются биполярные и полевые транзисторы, а также аналоговые интегральные микросхемы. При высоких требованиях к чувствительности приемника УРЧ целесообразно выполнять на малошумящих транзисторах. В диапазонах ДВ и СВ можно использовать транзисторы типов ГТ322, ГТ310, КТ358, КТ301, КТ601 и др в диапазоне КВ применяют транзисторы КТ359, КТ3108, КТ368, КТ633 и др в диапазоне УКВ – КТ382, КТ399, КТ3120; в радиолокационных приемниках ГТ341, ГТ362, ГТ383, КТ372 и т. д. Для повышения устойчивости используется включение транзисторов по каскодной схеме. На частотах выше 7 ГГц используются полевые транзисторы с затвором Шоттки. Для выбора транзисторов рекомендуется обращаться к справочникам. Возможно применение транзисторов, выпускаемых зарубежными фирмами. Фирма Philips, например, выпускает высокочастотные биполярные транзисторы BF547, BF517A, двухзатворные МОП транзисторы BF964, BF908, BF998 и т. д. Усилители промежуточной частоты могут быть выполнены не только на транзисторах, но и на интегральных микросхемах. Отечественная промышленность выпускает такие ИМС в достаточно широком наборе – для приемников АМ - сигналов К118УН1, К118УД1, 219УР1, 235УР3, 235УР7, 235УР9, 235УР11, К237ХК1, К237ХК2 и др – для приемников ЧМ-сигналов КУР, 218УР1, КУР, КУС, КУС, К228УВ1, К228УВ2, К228УВ3, 235УВ2, 235УР8, К237УН5, К237ХК6 и др. 66 В канале изображения ТВ - приемников возможно применение микросхем КУС (с отдельным диодным видеодетектором) или КУРВ настоящее время все малосигнальные цепи ТВ - приемника, исключая селектор каналов, выполняются на базе одной многофункциональной микросхемы с высокой степенью интеграции. Примером такой схемы может служить ТДА8305А, в состав которой входят все основные функциональные узлы радиоканала усилители, синхронный демодулятор, детектор и усилитель системы АРУ, устройство АПЧГ, усилитель ПЧ звука, демодулятор ЧМ - колебаний, а также другие малосигнальные цепи. Выбор ИМС для УПЧ радиолокационных приемников во многом определяется значением промежуточной частоты – на частотах до 40 МГц можно использовать ИМС 175УВ1, К175УВ1, 175УВ2, К175УВ2, 219УВ1; – на частотах до 60 МГц – 228УВ (1…4), К228УВ(1…4), 265УВ (1…6), К265УВ (1…6); – на частотах до 80 МГц – 265УВ7, К265УВ7; – на частотах до 100 МГц – ХА – на частотах до 200 МГц – 235УР7, 235УР11. В том случае, если коэффициент шума приемника ДОП, УРЧ и УПЧ можно выполнить на интегральных микросхемах, номенклатура которых достаточно широка 175УВ4, К175УВ4, 175УВ2, 219УВ1, КУС, КУС, КУС, КУС, КУС и многие другие. Если допустимый коэффициент шума приемника ДОП, то УРЧ радиолокационного приемника следует выполнять на параметрических диодах. Демодулятор может быть выполнен на дискретных элементах или входить в состав интегральной микросхемы. Приемники бытовой радиоаппаратуры могут быть выполнены практически на одной микросхеме высокого уровня интеграции (К174ХА2, К174ХА6, К174ХА10, К174ХА34, ТА, СХ1538S и многие другие. При выборе такой микросхемы нельзя допускать уменьшения объема курсового проекта, выполнение которого преследует определенные обучающие цели. В этом случае по согласованию с преподавателем следует уточнить техническое задание дополнить его либо введением схемотехнической разработки возможно, без выполнения расчетной части синтезатора частот, микроконтроллерного управления, цифровой индикации либо увеличением расчетной части (в том числе выполненной на дискретных элементах. Возможно также введение дополнительного раздела по настройке, регулировке и техническим испытаниям радиоприемника. 67 2.8. Распределение усиления между трактами радиоприемника Общее усиление радиотракта определяется, с одной стороны, необходимым напряжением на входе детектора, ас другой – заданной чувствительностью приемника. Обычно оно принимается с 2- или 3- кратным запасом A ДЕТ ВХ. 0 2 3 В приемниках АМ - сигналов на входе детектора надо обеспечить ДЕТ ВХ. U = 0,2…0,5 В. Линейность работы смесителя по входному сигналу обычно обеспечивается до напряжений на входе 200 100 CM ВХ. U мкВ. Коэффициент передачи преселектора, следовательно, должен быть равен A СМ.max ВХ. УРЧ ВЦ ПР 2 Коэффициент передачи транзисторного смесителя обычно имеет величину порядка 4…6. Остальное усиление достигается за счет УПЧ: CM УРЧ ВЦ 0 УПЧ K K K K K В любом приемнике от правильности распределения усиления по каскадам напрямую зависят его основные технические характеристики чувствительность, динамический диапазон и линейность тракта приема. Одновременно с вопросами обеспечения заданного усиления и линейности тракта приемника решаются вопросы улучшения коэффициента шума. Чем дальше каскад отстоит от входа, и чем больше усиление по мощности предыдущих каскадов, тем меньше он влияет на суммарный коэффициент шума. Требования по чувствительности приемника и линейности его тракта оказываются противоречивыми и обычно удовлетворяются методом компромисса. Одновременно решаются вопросы регулирования усиления в определенных каскадах радиотракта для обеспечения заданного динамического диапазона по основному и по соседнему каналам приема. Целесообразно построить диаграмму уровней сигналов и шумов на входе и выходе каскадов приемника. Она строится в логарифмическом масштабе, при этом усиление или затухание каскадов выражается в децибелах. Например преселектор приемника дает ослабление 2 дБ, УРЧ – усиление 20 дБ, смеситель – усиление 10 дБ, ФСС – ослабление 6 дБ и т.д. Уровень сигнала и шума при этом удобно выражать в дБ по отношению к 1 мВт (дБм). Пример такой диаграммы для схемы профессионального КВ - приемника приведен на рис. 32. 68 При построении диаграммы уровней задаются мощностью сигнала на входе приемника на рис. 32 задана выходная мощность УПЧ - 2, необходимая для нормального детектирования сигнала Р С дБм = 10 lg Р С мВт = 0 дБм) и мощностью сигнала на входе приемника, соответствующей его чувствительности П, выраженной также в дБм. Рис. 32. Диаграмма уровней сигнала и шума в тракте радиоприемника 1- сигнал при максимальной входной мощности, 2- сигнал при минимальной входной мощности, 3 - уровень шума Эти две точки соединяют ломаной линией, ординаты концов каждого отрезка которой указывают абсолютный уровень мощности на входе и выходе каскада, а их разность – усиление или затухание в каскаде. Вместо построения диаграммы можно указать значения сигналов в контрольных точках. Мощность шума на выходе каждого каскада рассчитывается путем последовательного применения формулы P СОБ.ВХ Ш. ВХ Ш. ВЫХ Ш. K P P P , где Ш.ВХ P — мощность шумов, поступающих от предыдущего каскада, Ш.СОБ.ВХ P — мощность собственных шумов каскада, приведенных к его входу, P K — коэффициент передачи номинальной мощности каскада. Расчет начинается с УРЧ, для которого П 0 Ш.ВХ kT P , 1 П УРЧ 0 СОБ.ВХ Ш. N kT P Строго говоря, шумы каждого каскада должны рассчитываться в соответствии сего полосой пропускания. Поэтому, например, мощность шума после ФСС падает, так как уменьшается полоса пропускания (рис. 32). Допустимо вести все расчеты по информационной полосе пропускания, 1 2 3 4 5 6 7 8 ВЦ |