|
|
Дипломная работа по физике _ Усилитель промежуточной частоты_. Усилитель промежуточной частоты
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
ФГБОУ ВО «ЧЕЧЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Факультет физики и информационно-коммуникационных технологий
Кафедра «Физическая электроника»
ДИПЛОМНАЯ РАБОТА
Тема: Усилитель промежуточной частоты
Допустить к защите:
«__» «___________» 2015г.
Павлович
Группа: 6 «Д»_
И. о. зав. кафедрой отделение: _ОЗО_
Физической электроники Научный руководитель
Зубхаджиев М-А. В. ст.пр. Усаев А. А.
Грозный – 2015г
Содержание
Введение…………………………………………………………..………..……….3
1. Усиление электрических сигналов…………………………………………..…6
2. Классификация усилителей электрических сигналов……..…….…………...11
2.1.Основные характеристики и параметры усилителей…………………….....12
2.2 Амплитудно-частотные характеристики усилителей………………...…….14
2.3. Использование обратной связи в усилителях…………………………..…..18
2.4. Основные характеристикиусилителя промежуточной частоты…………..19
2.4.1 Построение тракта УПЧ транзисторных приемников…………………….23
3. Практическая часть………………………………...…………………………...26
3.1. Основные методы включения транзистора в усилительном каскаде……..26
3.2 Расчет усилителя……………………………………………………....………28
3.3 Методика измерений…………………………………………….…...………..31
3.4. Изучение транзисторного усилителя промежуточной частоты….…..…….34
Заключение………………………………………………………………….……...38
Литература………………………………………………………………….……....39
Введение
Любой сигнал, где бы он ни применялся как сигнал, либо передаваемый по проводным линиям передачи, будь то оптоволоконные линии передачи данных, магистрали, либо обычный провод или это сигнал, передаваемый по беспроводному принципу, с помощью света, радиоволн либо ещё как-нибудь. Но сути это не меняет, любой сигнал необходимо усилить. Усиление сигнала, применяется почти во всех электрических схемах, почти каждая электрическая схема содержит в своём составе устройство, которое усиливает сигнал.
Все усилители, можно разделить на несколько основных типов усиления, чаще всего квалифицируют по признаку элементной базы. Первые усилители сигнала были выполнены на лампах, то есть их называли ламповые усилители сигнала.
Усиление сигнала, это неотъемлемая часть практически любой электрической схемы, на первый взгляд, где мы можем встретить усиление сигнала, да практически везде, где есть сигнал.
Усилители квалифицируются по типам элементной базы. Самыми первыми были ламповые усилители сигнала, там используются электронные лампы, очень надёжный и качественный способ усиления, используется и до сих пор в некоторых типах техники, хотя процент использования ничтожно низок.
Зачастую используют полупроводниковые усилители сигнала, это такие усилители сигнала в которых элементами усиления служат полупроводниковые приборы, то есть различные транзисторы, микросхемы и прочие полупроводниковые элементы. Также некоторые производители для усиления сигнала применяют и гибридные усилители, усилители на полупроводниковых элементах усиления, а часть на электронных лампах.
Без усиления сигнала невозможна современная сотовая связь из-за факторов, влияющих на ухудшение сигнала в процессе приёма. Отсюда вывод, что необходимо усиление сигнала в процессе приёма-передачи между абонентами, точнее между абонентом и базовой станцией сотового оператора.
Усиление сигнала, может проходить не только для одного абонента, то есть по системе – абонент – усиливающая антенна (работающая как на приём или передачу) – базовая станция оператора сотовой связи. Также можно осуществлять усиление и группового сигнала, то есть не один сигнал, а определённый спектр сигнала, на всю группу абонентов, широкополосные усилители сигнала. Данные устройства пользуются большим спросом, сейчас уже редко можно встретить устройство которое усиливать сигнал от сотового оператора, только для одного абонента. Чаще всего это группа абонента.
Но усиление сигнала востребовано не только на поприще сотовой связи и мобильных телефонов, телефонные звонки, мобильный интернет и другие мобильные технологии это не основа, где используют принцип усиления сигнала. Акустические системы, применяемые в повседневной жизни почти большинство человечества. Так, например, любое устройство, где есть принцип воспроизведения звуков, и есть динамик любого рода, применяется усиление сигнала, так как подаваемый из источника звука (носитель информации или что-нибудь ещё) сигнал, поступает с очень низким уровнем самого сигнала, и его необходимо усилить, чтобы был нормальный уровень воспроизведения.
Также усиление сигнала требуется и для получение качественного чистого сигнала передаваемого по радиоканалу, то есть нужно усиливать радиосигнал, так как передача его осуществляется не с такой мощностью, а передача с более высокой мощности, или не возможно по техническим причинам, либо просто влияют внешние факторы, либо просто опасно для здоровья, из-за частоты передачи и мощности. Так что проще усилить сигнала.
Но самое широкое применение в электрических цепях и схемах, и системах получил принцип усиления сигнала, основанный на полупроводниковых элементах. Это может быть, как полупроводниковые транзисторы, или различного рода и уровня микросхемы, интегральные микросхемы, или что-нибудь еще, что выполнено по полупроводниковой технологии.
Такое широкое применение обусловлено тем, что стоимость производства очень низка, а также физические и электрические параметры которых можно добиться при изготовлении или применении в техники очень широка, почти любой параметр можно изменить или задать, а также размеры полупроводниковых элементов очень малы, в современных процессорах, используемых в вычислительной техники или в любой другой высокотехнологичной техники, размер полупроводникового транзистора может составлять несколько нанометров, то есть это реально будет выглядеть как сгусток молекул, который по физическим свойствам выполняет усиление поступаемого сигнала.
Существуют также и гибридные схемы усиления сигнала, которые построены по принципу совмещения, как ламповых элементов, так и полупроводниковых элементов в своей цепи или схемы. Кстати, такой способ позволяет достичь лучшего физического свойства, такого как, например уровень усиления сигнала, или частота сигнала, которого можно усилить. Такой способ, получил широкое применение, ещё из-за чёткости своих показаний в результате усиления сигнала.
Сегодня открыто и ещё несколько основных принципов усиления сигнала, это может быть квантовое усиление сигнала, данный способ усиления сигнала применяется в современных системах передачи данных по оптическим каналам данных, или в оптических системах. Но это слишком, узкая область применения, и распространена в основном в узкой специальности, но именно такой принцип позволяет передавать большой объём информации, на огромные расстояния почти без потерь, и при том со скоростью света.
1. Усиление электрических сигналов
Усиление электрических сигналов возможно в приборах с управляемыми потоками электрических зарядов. Однако сама по себе данная фраза ничего не значит. Возникает естественный вопрос: как, имея управляемый поток зарядов и подавая на вход слабый сигнал, на выходе прибора получить сильный сигнал?
Для начала, видимо, следует разобраться в том, что же такое усиление электрических сигналов. Предположим, что мы имеем источник электрического сигнала, который при определенном сопротивлении нагрузки может обеспечить некоторые ток и напряжение сигнала на ней. Если нас не удовлетворяет напряжение на нагрузке, то, используя простейшие пассивные элементы (например, трансформатор), мы можем легко поднять его до необходимого уровня. Расплатой за это будет падение сигнального тока. И наоборот, если мы увеличим ток – снизится напряжение. В любом случае полезная мощность сигнала PC = UСIС, передаваемая в нагрузку, при добавлении любых пассивных компонентов в схему может только снижаться. Для увеличения этой мощности нужны так называемые активные компоненты – усилители. Именно они позволяют из слабых входных воздействий получать мощные сигналы на выходе устройства.
Что же необходимо для работы усилительного устройства? Рассмотрим простой пример. Водитель автомобиля давит на педаль газа, и чем большее усилие он прикладывает к маленькой педали, тем быстрее едет большой и тяжелый автомобиль. Однако всем известно, что автомобиль двигает не слабый водитель, а мощный двигатель. Т.е. педаль – это лишь средство воздействия на двигатель, который и выполняет всю работу. На таком же принципе основано действие и усилителей электрических сигналов. В них создается отдельный мощный сигнал, который и попадает на выход усилителя, а слабый входной сигнал лишь воздействует на этот мощный сигнал, заставляя его изменяться по тому же закону.
Как уже говорилось, в полупроводниках могут существовать потоки электрических зарядов. Если такой поток протекает от одного электрода полупроводникового прибора к другому, то между этими двумя электродами возникает электрический ток, абсолютная величина которого пропорциональна мощности потока (количеству перемещаемых за единицу времени зарядов). Очевидно, что при определенных условиях с помощью мощного внешнего источника питания мы можем создавать в полупроводниковых структурах самые разнообразные потоки зарядов. Вопрос, однако, заключается в том, как обеспечить воздействие на эти потоки слабого сигнала, который мы хотим усилить. Вернемся теперь к рассмотрению биполярного транзистора.
На рис. 1.1 показана схема, в которой на выводы эмиттера и коллектора транзистора n-p-n-типа подано достаточно большое напряжение от внешнего мощного источника питания плюсом к коллектору и минусом к эмиттеру. Если бы между эмиттерной и коллекторной n-областями транзистора не было тонкой базовой прослойки с проводимостью p-типа, то очевидно, что в полупроводнике возник бы мощный поток электронов от эмиттера к коллектору.
Рис. 1.1. Схема подачи напряжений на биполярный транзистор n-p-n-типа для обеспечения режима усиления
Однако на практике даже весьма тонкой базовой прослойки оказывается достаточно, чтобы предотвратить это явление. Все изменяется, если мы приложим к базе транзистора некоторое незначительное по величине и положительное относительно эмиттера напряжение (рис. 1.2). При этом эмиттерный p-n-переход транзистора оказывается под напряжением, соответствующим его проводящему состоянию, и в p-n-структуре эмиттер-база образуется поток электронов в том же направлении, в котором он мог бы возникнуть при отсутствии базовой области. Электроны, достигая базовой области, по логике должны уходить в базовый электрод, обеспечивая прохождение тока в цепи, база-эмиттер транзистора, но на практике происходит другое. Подгоняемые большим напряжением, приложенным между коллектором и эмиттером, электроны быстро пролетают через узкую базовую область и уходят к коллекторному электроду, т.е. возникает тот самый мощный поток зарядов между эмиттером и коллектором, который мы не могли получить ранее. Только крайне незначительная часть электронов попадает в базовый электрод. Таким образом, мы имеем слабый ток в цепи эмиттер-база и сильный ток в цепи эмиттер-коллектор (напомним, что направление электрического тока считается противоположным направлению движения отрицательных зарядов, в нашем случае - электронов). Повышая напряжение на базе транзистора, мы будем наращивать мощность потока электронов, при этом токи в цепях будут расти соответственно.
Итак, оказывается, что в биполярном транзисторе можно создать сильный электрический ток в цепи "коллектор - эмиттер – внешний мощный источник питания" при достаточно слабом токе в цепи "база - эмиттер – маломощный источник сигнала". Причем данное слабое воздействие на базу оказывает управляющее действие на ток в коллекторно-эмиттерной цепи. Если далее в коллекторную или эмиттерную цепь транзистора (рис. 1.2) включить некоторое сопротивление (нагрузку), то окажется, что ток и напряжение на нем повторяют форму входного сигнала на базе транзистора, но мощность, подаваемая на него, гораздо выше мощности входного сигнала, т.е. происходит усиление.
Мы описали работу биполярного транзистора n-p-n-типа. Для приборов p-n-p-типа все выглядит совершенно аналогично. Только здесь мы должны рассматривать не потоки электронов, а потоки положительных зарядов – дырок. При этом полярности всех внешних напряжений меняются на обратные. Других отличий нет.
Анализируя возможность использования биполярных транзисторов для усиления электрических сигналов, мы ограничивались только одним частным случаем подачи на электроды транзистора определенных напряжений и не рассматривали некоторые достаточно важные физические процессы в полупроводнике. Но помимо уже описанной ситуации возможны и другие, приводящие, например, к протеканию в n-p-n-структуре тока не от коллектора к эмиттеру, а, наоборот, от эмиттера к коллектору и т.п. В общем случае для биполярного транзистора возможны четыре устойчивых состояния (режима). Они отличаются друг от друга тем, в каком состоянии (прямое или обратное смещение) находятся эмиттерный и коллекторный переходы транзистора. Приведем их полное описание.
Активный режим – соответствует случаю, рассмотренному при анализе усилительных свойств транзистора. В этом режиме прямосмещенным оказывается эмиттерный переход, а на коллекторном присутствует обратное напряжение. Именно в активном режиме транзистор наилучшим образом проявляет свои усилительные свойства. Поэтому часто такой режим называют основным или нормальным.
Инверсный режим – полностью противоположен активному режиму, т.е. обратносмещенным является эмиттерный переход, а прямосмещенным — коллекторный. В таком режиме транзистор также может использоваться для усиления. Однако из-за конструктивных различий между областями коллектора и эмиттера усилительные свойства транзистора в инверсном режиме проявляются гораздо хуже, чем в режиме активном. Поэтому на практике инверсный режим практически не используется.
Режим насыщения (режим двойной инжекции) – оба перехода транзистора находятся под прямым смещением. В этом случае выходной ток транзистора не может управляться его входным током, т.е. усиление сигналов невозможно. Режим насыщения используется в ключевых схемах, где в задачу транзисторов входит не усиление сигналов, а замыкание/размыкание разнообразных электрических цепей.
Режим отсечки – к обоим переходам подведены обратные напряжения. Такой режим также используется в ключевых схемах. Поскольку в нем выходной ток транзистора практически равен нулю, то он соответствует размыканию транзисторного ключа.
Заметим, что кроме названных основных рабочих режимов в транзисторе возможен режим пробоя на различных переходах. Обычно он возникает только в случае аварии и не используется в работе, однако существуют специальные лавинные биполярные транзисторы, в которых режим пробоя является как раз основным рабочим режимом.
Помимо режима работы для эксплуатации биполярных транзисторов имеет значение то, каким образом транзистор включен в каскад усиления (как поданы питающие напряжения на его электроды, в какие цепи включены нагрузка и источник сигнала). Различают три основных способа (рис. 1.2): схема с общим эмиттером (ОЭ), схема с общим коллектором (ОК) и схема с общей базой (ОБ).
Рис. 1.2. Схемы включения биполярных транзисторов (направления токов
соответствуют активному режиму работы)
2. Классификация усилителей электрических сигналов
Усилители – электронные устройства, предназначенные для повышения (усиления) мощности входного сигнала за счет энергии источника питания.
В зависимости от вида выходного сигнала УЭ делятся на:
Линейные Uвых = kUвх
Нелинейные Uвых = f(Uвх)
Структура и эквивалентная схема УЭ
С точки зрения электрических свойств любой усилитель можно рассматривать как четырехполюсник, имеющий 2 входных зажима, на которые поступает входной сигнал, и 2 выходных, с которых снимается выходной сигнал.
Z’н – комплексное сопротивление.
Любой усилитель со стороны входа может быть представлен как Rвх. Любой усилитель со стороны выхода может быть представлен либо в виде управляемого источника напряжения (kUвх), либо управляемого источника тока kiiвх, а также эквивалентного выходного сопротивления.
2.1 Основные характеристики и параметры усилителей
1. Основной параметр – коэффициент усиления:
Ku =  – по напряжению
– на переменном токе
ki =  – по току
kp =  ki
2. Rвх =  – входное сопротивление УЭ по переменному току
Rвых =  – эквивалентное выходное сопротивление
Многокаскадные усилители
У1 – первый каскад (входной усилитель, предварительный). Как правило, обеспечивает согласование с источником сигнала;
Уn – выходной усилитель (каскад), оконечный усилитель;
У2 – Уn-1 – промежуточные усилители. Выходной каскад, как правило, обеспечивает согласование с нагрузкой, а основное усиление осуществляется в промежуточных каскадах.
Кå = 
Kåдб = 
Классификация усилителей:
Линейные
Нелинейные
По АЭ (активный элемент):
Ламповые
Транзисторные
Интегральные
Магнитные
Тиристорные и др.
По Rвх и Rвых:
|
|
|
Скачать 0.77 Mb.