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.
|
|
УРЧ СМ ФСС УПЧ СМ ФСС УПЧ 0 -40 - 80 -120 -160 1 2 3 69 выбранной в параграфе 2.3. Однако следует отметить, что в этом случае график распределения шумов носит условный характер. 2.9. Оценка динамического диапазона приемника Динамический диапазон приемника ограничен снизу шумами приемника, сверху – пределами линейной части характеристик его каскадов. Строгий расчет динамического диапазона требует изучения нелинейности характеристик каскадов, характер и величина которой зависят от схемы каскада, типа активного прибора, режима его работы и т. д. Оценку динамического диапазона рекомендуется произвести по упрощенной методике. Амплитудную характеристику любого усилителя или смесителя можно аппроксимировать рядом 3 ВХ 3 2 ВХ 2 ВХ 1 ВЫХ P K P K P K P , где коэффициенты K 2 , K 3 и т. д. характеризуют искажающие свойства каскада. При наличии на входе усилителя или смесителя двух сигналов (например, полезного сигнала с частотой 1 f и помехи с частотой 2 f , близкой к 1 f ) на выходе, кроме сигналов 1 f и 2 f появляются гармоники этих сигналов, комбинационные частоты и постоянная составляющая. Их уровень непосредственно связан с нелинейностью усилителей и смесителей. Принципиально нелинейными являются также варикапы, переключающие диоды и некоторые другие элементы, используемые в сигнальных цепях. Оценка нелинейности обычно производится двухсигнальным методом. Динамический диапазон D – это выраженное в децибелах отношение уровня двух равных по величине входных сигналов к уровню создаваемой ими комбинационной помехи при условии равенства ее уровня уровню собственных шумов приемника. Расчетная формула ) ( Ш.ВХ ВХ 3 2 P A D , где ВХ A — уровень полезного сигнала на входе, при котором на выходе уровень комбинационной составляющей третьего порядка 2 1 2 f f равен уровню полезного сигнала на линейном продолжении амплитудной характеристики (рис. 33). На рис приведены графики зависимости выходной мощности сигналов с частотами 1 f и 2 1 2 f f от их мощности на входе. При превышении определенного уровня входных сигналов линейный рост выходных сигналов замедляется. Если продолжить линейную часть графика полезного сигнала пунктирная линия, тов точке пересечения А выходной уровень полезного сигнала равен уровню составляющей третьего порядка. 70 Координаты точки А характеризуют линейные свойства каскада, причем значение А ВХ на оси абсцисс соответствует входному уровню сигналов, а А ВЫХ на оси ординат – выходному. В активных цепях значение А ВЫХ больше А ВХ на коэффициент усиления каскада G, выраженный в децибелах А ВЫХ (дБм) = А ВХ (дБм) + дБ. В пассивных цепях, например в диодных смесителях, значение А ВЫХ меньше А ВХ на величину потерь в смесителе. Зная положение точки А на графике, можно рассчитать уровень колебаний комбинационной частоты при любых входных сигналах если каскад работает при уровне выходного сигнала на Х дБ ниже значения А ВЫХ , то уровень комбинационных частот третьего порядка будет на Х дБ ниже значения А ВЫХ Допустим, А ВЫХ = 30 дБм и Р ВЫХ 10 дБм. Тогда Х = Р ВЫХ A ВЫХ 40 дБ и уровень комбинационных частот третьего порядка будет на 3∙40=120 дБ ниже значения А ВЫХ Для уменьшения уровня комбинационных искажений следует снижать уровни входных сигналов. Однако это допустимо лишь до тех пор, пока комбинационные колебания превышают уровень собственных шумов приемника. Динамический диапазон лучших современных приемников достигает 100…120 дБ, что дает возможность принимать полезный сигнал при уровнях помех, превышающих его враз. При оценке динамического диапазона расчет производится следующим образом. Оценивается мощность шума, приведенная к входу приемника N P lg 10 П lg 10 ) дБм ( 174 Ш.ВХ , Рис. 33. График зависимости выходной мощности полезного сигнала и комбинационной составляющей третьего порядка от уровня полезного сигнала при двухсигнальном методе исследования 1 f ш вых ВЫХ D ВЫХ A ВХ D ВХ A A 2 1 2 f f дБ , ВХ P Р ВЫХ , дБ 71 где П – отношение полосы пропускания приемника к полосе 1 Гц, N – безразмерный коэффициент шума. Затем из табл. 8 выбирается значение А ВЫХ , соответствующее типу каскада, и рассчитывается А ВХ : А ВХ = А ВЫХ – G, где А ВХ и А ВЫХ имеют размерность дБм, а G – коэффициент передачи каскада по мощности, дБ. После этого пользуются расчетной формулой для D. Таблица 8 Значение параметра А ВЫХ № Тип каскада А ВЫХ , дБм 1 УРЧ на транзисторе 5 – 10 2 Смеситель на транзисторе 0 – 5 3 Смеситель на двухзатворном полевом транзисторе 18 – 20 4 Кольцевой смеситель на диодах 15 – 20 5 Балансный смеситель на полевых транзисторах в пассивном режиме 40 В качестве примера рассчитаем динамический диапазон приемника, первым каскадом которого является смеситель на двухзатворном полевом транзисторе КП350. Исходные параметры усиление смесителя G = 20 дБ, параметр А ВЫХ = 18 дБ, коэффициент шума N = 10 дБ, полоса пропускания селективного тракта П = 500 Гц. Получаем А ВХ = А ВЫХ – G = 18 – 20 дБм= – 2 дБм, Р Ш.ВХ = – 174+10 lg 500 + 10 = – 137 дБм, D = ⅔ ( - 2 + 137) дБ = 90 дБ. При расчете приемника его каскады должны быть согласованы по максимальному допустимому уровню входных и выходных сигналов. Значение А ВЫХ первого каскада должно быть больше или равно значению А ВХ второго каскада и т. д. Динамический диапазон приемника в целом ограничивается динамическим диапазоном того из каскадов, стоящих пред ФСС, у которого этот диапазон минимален. Рассмотрим пример. Пусть первыми каскадами приемника являются УРЧ (N УРЧ = 6 дБ, G УРЧ = 20 дБ, А ВЫХ.УРЧ = 5 дБм) и активный смеситель (СМ = 20 дБ, СМ = 3 дБ, А ВЫХ.СМ = 0 дБм). Имеем А ВХ.СМ = А ВЫХ.СМ – СМ = 0 – 3 дБм= – 3 дБм. Следовательно, ВХ.СМ ВЫХ.УРЧ A A , те. допустимый уровень сигналов на входе УРЧ выше, чем допустимый уровень входных сигналов смесителя, и при расчете динамического диапазона приемника вместо А ВЫХ. УРЧ следует брать А ВХ.СМ Совместный коэффициент шума УРЧ и смесителя 72 дБ 99 , 4 100 1 100 4 1 УРЧ СМ УРЧ G N N N Шумовой порог (при П = 3 кГц Р Ш.ВХ = – 174 дБм + 7 дБ + 35 дБ = – 132 дБм. Параметр А ВХ приемника А ВХ = А ВХ.СМ – G УРЧ = – 3 дБм – 20 дБм = – 23 дБм. Динамический диапазон дБ 7 , 72 дБ ) 132 ( 23 Заметим, что расчет динамического диапазона приемника без УРЧ дает в рассматриваемом примере 77,3 дБ, те. включение в схему УРЧ, с одной стороны, повышает чувствительность приемника, нос другой - уменьшает динамический диапазон. Снижение динамического диапазона по соседнему каналу приема из-за перегрузки первого смесителя, вызванной избыточным усилением предшествующих каскадов, приводит к непрозрачности эфира – не удается выделить слабый сигнал из шумов при наличии помех. В этом случае следует повысить избирательность входных цепей или включить на входе приемника аттенюатор, не нарушающий режимов работы активных элементов, выбранных из условий максимальной линейности. Для оценки линейных свойств каскадов, следующих за ФСС, используется понятие динамического диапазона по основному каналу приема. Верхний предел динамического диапазона по основному каналу определяется нелинейностью последнего каскада УПЧ или УНЧ, нижний – шумами. Расширение динамического диапазона по основному каналу достигается применением эффективной системы АРУ, снижающей перегрузку конечных каскадов и, следовательно, величину нелинейных искажений. 2.10. Выбор регулировок приемника При эскизном проектировании предусматривается система регулировок, обеспечивающая поддержание точной настройки приемника на частоту принимаемого сигнала поддержание заданного уровня сигнала на входе детектора. Автоматическая подстройка частоты гетеродина позволяет уменьшить до допустимой величины требуемую полосу пропускания УПЧ приемника, если абсолютное значение нестабильности настроек велико. Если принять, что без системы АПЧ требуется полоса НС Д C П 2 Δ П f f , 73 то при наличии АПЧ с коэффициентом подстройки К АПЧ АПЧ НС Д C / П 2 Δ П K f f Здесь Д – доплеровское смещение частоты, а величина нестабильности настроек П НС определяется по формуле 2 П 2 Н 2 Г 2 C НС δ δ δ δ 2 П f f f f , где C δf и Г – нестабильности частот сигнала и гетеродина, Ни П – неточности настроек частот гетеродина и УПЧ. При расчете задаются относительной нестабильностью частот f f / δ , соответствующей выбранной схеме устройства. Чем выше частота f, тем больше получается абсолютное значение нестабильности. Поэтому, например, в области ДВ и СВ вещательных диапазонов величина П НС оказывается небольшой, по сравнению с ПС, и система АПЧ не требуется, а в области УКВ диапазона – большой, что делает систему АПЧ обязательной. Транзисторный гетеродин без кварцевой стабилизации имеет относительную нестабильность частоты порядка 10 – 3 … 10 – 4 в диапазоне частот ниже 30 МГц ив диапазоне частот выше 30 МГц. Применение кварцевой стабилизации позволяет уменьшить величину относительной нестабильности до 10 – 5 … 10 – Значение Н зависит от способа настройки. Коэффициент П П = 0,003 … 0,0003. При наличии системы ФАП полагают П = П С Система АРУ применяется для расширения динамического диапазона приемника по основному каналу и как корректор мультипликативной помехи. Если требуемый диапазон входных сигналов составляет А дБ, а изменение напряжения на выходе допускается в пределах В дБ, то требуемое изменение коэффициента усиления приемника равно (А – В) дБ. Режимная регулировка позволяет изменять коэффициент усиления одного транзисторного усилительного каскада на 20-26 дБ. Максимальный уровень входного напряжения такого каскада ограничен значением m U 40 ВХ , где ВХ U – амплитуда входного сигнала в милливольтах, – допустимый для данного каскада коэффициент нелинейных искажений при коэффициенте модуляции m . Обычно 15 10 ВХ U мВ. 74 Полагая, что в качестве регулируемых каскадов в радиоприемнике используются идентичные усилители промежуточной частоты, определяют требуемое число каскадов дБ 26) (20 дБ АРУ В А n , с округлением до ближайшего большего целого числа. В целях обеспечения хороших характеристик реальной избирательности, чувствительности и линейности преобразования нежелательно регулировать усиление в первом каскаде УРЧ и смесителях. При необходимости на УРЧ организуется отдельная цепь АРУ, управляющее напряжение которой вырабатывается по сигналу, еще не прошедшему ФСС. Это позволяет снижать усиление УРЧ при действии мощных внеполосных помех, что способствует уменьшению перекрестных и интермодуляционных искажений, те. расширению динамического диапазона приемника. В современных радиоприемных устройствах проблему регулирования усиления решают путем использования управляемых аттенюаторов на диодах или варикапах, включаемых между каскадами. Перспективным является также метод регулирования за счет изменения глубины отрицательной обратной связи усилителей. Метод имеет то положительное свойство, что введение обратной связи улучшает линейность усилителя. 2.11. Выбор тракта усиления низкой частоты Для профессиональных, радиовещательных и телевизионных (канал звука) приемников выбирают подходящую ИМС УНЧ из серий К, К, К К и др. Как правило, ИМС используется в стандартной схеме включения. Для радиолокационных приемников выбирается схема видеоусилителя. 2.12. Структурная схема Эскизное проектирование завершается составлением структурной схемы радиоприемника и формулированием требований для функциональных узлов и каскадов. Структурная электрическая схема определяет основные функциональные части приемника, их назначения и связи. Все функциональные части на схеме изображают в виде прямоугольников или условных графических обозначений. На схеме допускаются поясняющие надписи, диаграммы, таблицы, указания параметров в характерных точках (величины токов, напряжений, формы и величины импульсов, математические зависимости и т. п. 75 3. РАБОЧЕЕ (ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ) ПРОЕКТИРОВАНИЕ РАДИОПРИЕМНИКА На этапе рабочего (электрического) проектирования выполняется электрический расчет функциональных узлов и отдельных каскадов, составляется принципиальная схема приемника в целом. 3.1. Расчет параметров электронных приборов В справочниках приводятся следующие параметры биполярных транзисторов Э – статический коэффициент передачи тока базы в схеме с ОЭ; | Э – модуль коэффициента передачи тока базы в схеме с ОЭ на некоторой частоте М ГР = | Э М – граничная частота коэффициента передачи тока базы в схеме с ОЭ; ОС – постоянная времени цепи обратной связи С К – емкость коллекторного перехода К max – максимальный ток коллектора. Определение Y параметров и шумовых характеристик биполярного транзистора в схеме с ОЭ на частоте сигнала f С производится по формулам, приведенным в табл. 9. Расчет параметров биполярных транзисторов. Таблица 9 Примечания 21Э Б Э 11Б h r r h ; Э Э 026 , 0 I r ; К ОС Б 2 С r ; М 21Э ГР | | f h f ; Б 11Б ГР r h f f S ; ГР C ГР f f ; S C S f f ; max K К Э 3 , 0 05 , 0 I I I ; П 2 , 0 E U ; 1 21Э 21Э 0 h h Если устойчивый коэффициент усиления КУСТ каскада оказывается меньше требуемого, то от схемы с ОЭ следует переходить к каскодной схеме Y параметры Расчетные формулы g 11 Э 11Б 21Э S ГР 21Э γ 1 γ γ 1 S h h h С 11Э 2 11Б 21Э S ГР 21Э γ 1 2 γ γ S C h h f h g 22 Э 11Б S OC C γ 1 γ 2 S h f С 22Э 2 Б Б 21 21 γ 1 1 S Э Э h h h |Y 12 | Ш Э Э 11Э C Б 0 Э 2 КУСТ 12 21 Y Y 76 ОЭ-ОБ. При однотипных биполярных транзисторах параметры каскодной схемы ОЭ-ОБ рассчитываются по формулам, приведенным в табл. 10. Таблица 10 Расчет параметров каскодной схемы Y параметры Расчетные формулы g 11 КАС g 11 Э С 11 КАСС Э КАС 2 11Б 21Э S ГР 21Э ос C γ 1 γ γ 2 S h h h f |Y 21 КАС | Э |Y 12 КАС | Э 12Э 21Э 22Э 12Э Y Y Y Y Y С 22 КАС 2 11Б 21Э ГР 21Э ОС К γ 1 γ γ 1 S S h h h С τ К УСТ | | | | 45 , 0 КАС 12 КАС 21 Y Y Параметры преобразования биполярных транзисторов, работающих в преобразователях частоты, связаны сих параметрами в усилительном режиме следующими приближенными соотношениями ПР = Э, СПР = С 11Э , g 22 ПР = 0,65 g 22 Э, СПР С ЭПР ЭПР Э . Для полевых транзисторов с p - n переходом в справочниках приводятся S – крутизна характеристики С ЗИ – входная емкость С ЗС – проходная емкость. При расчете остальных параметров можно пользоваться табл. 11. Обычно принимают С СИ = С ЗИ , С = С = С ЗИ , С = С ЗС Полевой транзистор схемы с ОИ в режиме преобразования частоты имеет входную и выходную проводимости П = g 11 , Па его проходная проводимость П = 0,25 g 21 . В силу резкого уменьшения П в режиме преобразования по сравнению с усилительным режимом, реализуемый коэффициент усиления также значительно уменьшается, что следует учитывать при электрическом расчете такого каскада. 77 Таблица 11 |