Дипломная работа по физике _ Усилитель промежуточной частоты_. Усилитель промежуточной частоты

• Название: Усилитель промежуточной частоты
• Дата: 26.09.2022
• Размер: 0.77 Mb.
• Имя файла: Дипломная работа по физике _ Усилитель промежуточной частоты_.docx
• Тип: Диплом; #697238
• страница: 2 из 3

R_вх

Если R_вх >> R_г – усилители напряжения (с входом по напряжению)

Если R_вх << R_г – усилители тока

R_вх » R_г – усилители мощности (согласованные)

R_вых

R_вых >> R_н – усилители тока (с выходом по току)

R_вых << R_н - усилители напряжения

R_вых » R_н – усилители мощности (согласованные)
Характеристики усилителей

k_u’ =

В общем случае коэффициент усиления зависит как от амплитуды сигнала, так и от частоты и описывается комплексной функцией.

K_u’(w) = mod k_u’Þ (модуль)

АЧХ – зависимость коэффициента усиления от частоты

j(w) = arg k_u’Þ (аргумент)

ФЧХ – зависимость сдвига фазы выходного сигнала от частоты

Вид АЧХ определяет и вид ФЧХ и наоборот.


2.2 Амплитудно-частотные характеристики усилителей
АЧХ усилителей и их ФЧХ





У реального усилителя k зависит от частот, в пределах которых k » const k₀ – называется областью средних частот – рабочая полоса частот.

Dw = w_в - w_н - полоса пропускания усилителя;

w_н - нижняя частота полосы пропускания;

w_в - верхняя частота полосы пропускания.

0 < w < w_н Þ область нижних частот

k = k(w) = var

w > w_в Þ область высоких частот

k = k(w) = var

Спад усиления на ВЧ и НЧ обусловлен наличием реактивных элементов в усилителе и конечным быстродействием усилительного элемента.

В зависимости от АЧХ усилители делятся на:

если Dw << w₀, где w₀ – центральная частота усиления, то это узкополосный (резонансный) усилитель.

Dw >> w₀ – широкополосный усилитель (ШПУ) (видеоусилитель)

Dw » w₀ – полосовой усилитель.

По частоте:

УНЧ – усилители низких частот (10Гц – 40 (100)кГц)

УПЧ – усилители промежуточных частот (£1 МГц)

УВЧ – усилители высоких частот (1-100 МГц)

СВЧ – сверхвысокочастотные усилители (<1 ГГц)

ОВЧ – особовысокочастотные усилители (>1 ГГц до 20 ГГц)
ФЧХ



У реального усилителя на НЧ и ВЧ выходной сигнал приобретает дополнительный сдвиг фазы, обусловленный наличием реактивных элементов. На НЧ это элементы связи, блокирующие и фильтрующие конденсаторы. Их влияние носит дифференцирующий характер (Dj > 0). На ВЧ влияет емкость нагрузки, монтажа, быстродействие АЭ. Их влияние носит интегрирующий характер (Dj < 0). В рабочей полосе частот Dj » const. Зависимость k(w) и j(w) для сложного входного сигнала приводит к его линейным искажениям (частотным).

Dw – рабочая полоса частот, в пределах которой амплитудные искажения Dk < ± 3 дб, а фазовые искажения Dj < ± p/4.
Амплитудная характеристика

U_вых = f(U_вх)_w=const


1 – область внутренних шумов усилителя. Даже при отсутствии входного сигнала на выходе присутствует хаотический шумовой сигнал. Шумы обусловлены температурными шумами элементов (тепловой шум), дискретной природой электричества (квантовый), избыточными шумами АЭ. Внутренние шумы ограничивают возможность усиления слабых сигналов снизу.

2 – область линейного усиления. U_вх = k_uU_вх, tga Þ k_u

3 – область ограничения выходного сигнала (нелинейных искажений выходного сигнала). Ограничение обусловлено либо мощностью источника питания, либо нелинейностью ВАХ активного элемента.

D = – это есть динамический диапазон усиления – возможность усилителя усиливать как слабые, так и сильные сигналы.

Нелинейные искажения


Это искажения формы входного сигнала.



U(t) = U₀ +

Так любой сигнал может быть представлен.

Нелинейные искажения – это изменение спектрального состава сигнала (появление дополнительных гармоник, отсутствующих на входе).



k_ни – коэффициент нелинейных искажений

k_ни =

P_i – мощность гормоник выходного сигнала

P₁ – основная частота (горм.).

Нелинейные искажения в усилителе уменьшаются выбором рабочего режима с наибольшим линейным усилением, использованием высококачественных элементов, использованием обратных связей.

2.3Использование обратной связи в усилителях
Обратная связь – это подача части или всего выходного сигнала на вход усилителя. (Подача всего сигнала – 100% ОС (обратная связь)).
Классификация и виды ОС:
По сигналам

ООС – отрицательная обратная связь – такая ОС, когда сигнал ОС вычитается из входного или когда сигнал ОС находится в противофазе с входным (Dj = p)



ПОС – положительная ОС – когда U_ос суммируется с U_вх, или когда сигнал U_ос и U_вх совпадают по фазе (Dj = 0)



ОС – мощное схемотехническое средство, позволяющее изменять свойства усилителей в широком диапазоне в сторону необходимых параметров.

ОС могут быть по току (суммируются токи), по напряжению (суммируются напряжения).

Комбинированные (по току и напряжению).

2.4. Основные характеристикиусилителя промежуточной частоты
Усилитель промежуточной частоты представляет собой многокаскадный резонансный усилитель напряжения, охваченный отрицательной обратной связью по току и напряжению для обеспечения необходимой стабильности коэффициента усиления

Усилители промежуточной частоты на транзисторах, как правило, аналогичны усилителям высокой частоты, и потому схемы их не приводятся. В этих усилителях ступени могут быть с общим эмиттером или общей базой. Первая схема дает большее усиление и используется чаще, но работает менее устойчиво. В большинстве случаев в транзисторных УПЧ применяется нейтрализация. Подача напряжения смещения на участок база - эмиттер осуществляется обычными методами. Для устранения паразитных связей через цепи питания включают развязывающие фильтры. Колебательными системами служат одиночные контуры или двухконтурные полосовые фильтры или фильтры сосредоточенной селекции с различными видами связи.

Усилители промежуточной частоты (УПЧ) применяют для усиления амплитуды сигналов промежуточной частоты, поступающих от предшествующих усилительных или преобразовательных каскадов радиоприемников. Как и усилители радиочастоты, УПЧ усиливают сигнал, улучшают селективность, а также позволяют осуществлять автоматическую регулировку громкости (АРГ) в радиоприемниках и автоматическую регулировку усиления (АРУ) в телевизионных приемниках.

Усилители промежуточной частоты, используемые в телевизионных приемниках, собирают на полевых транзисторах с изолированным затвором, работающих в режиме с обогащением. При использовании АРУ удобно применять полевые транзисторы с двумя затворами.

Усилитель промежуточной частоты (УПЧ) обеспечивает основное усиление сигнала для получения требуемой чувствительности, необходимую избирательность приемника по соседнему каналу и необходимую ширину полосы пропускания тракта.

Усилители промежуточной частоты с парами взаимно расстроенных каскадов применяются в широкополосных приемниках импульсных сигналов СВЧ диапазона. Форма импульсов на выходе тракта зависит не только от формы резонансной кривой и полосы пропускания, но также и от линейности фазовой характеристики каскадов. СВЧ приемниках практически не находят применения. 

Усилитель промежуточной частоты (УПЧ) работает на постоянной частоте и обеспечивает требуемое усиление сигнала промежуточной частоты до значения, необходимого для нормальной работы детектора. В качестве УПЧ обычно используются полосовые усилители, форма резонансной характеристики которых близка к прямоугольной. Это позволяет получить высокую избирательность и равномерное усиление в полосе пропускания. 

Усилитель промежуточной частоты определяет избирательность приемника по соседнему каналу, чувствительность его и полосу пропускания, от которой зависит качество воспроизведения передач. При разработке радиоприемной аппаратуры стремятся конструировать УПЧ таким образом, чтобы он составлял единое целое с другими блоками приемника.

Усилитель промежуточной частоты служит для повышения напряжения, полученного на выходе преобразователя частоты. Благодаря постоянству промежуточной частоты контуры этого усилителя в процессе эксплуатации приемника не перестраиваются. Последнее позволяет применять в каждом каскаде усилителя промежуточной частоты не один, а несколько связанных контуров без существенного усложнения конструкции приемника. Это в значительной степени улучшает избирательные свойства каскада усилителя промежуточной частоты и делает их независимыми от частоты принимаемого сигнала. Выбор промежуточной частоты ниже несущей частоты сигнала также способствует улучшению избирательности усилителя и увеличению его коэффициента усиления. Эти обстоятельства и позволяют получать лучшую избирательность и большее усиление в супергетеродинном приемнике, чем в приемнике прямого усиления. По этим же причинам подавляющее большинство современных приемников строится по супергетеродинной схеме.

Усилитель промежуточной частоты (УПЧ) имеет полосу пропускания, несколько большую опорной частоты / о. Поэтому он усиливает сигнал с разностной частотой F / 0, измеряемой далее цифровым частотомером.

Усилитель промежуточной частоты налаживают после окончания регулировки усилителя низкой частоты, детектора и электронно-лучевого индикатора настройки. Его наладка заключается в настройке нагрузочных контуров и проверке устойчивости работы усилителя.


Полосовой фильтр

В каскадах УПЧ часто используют полосовые фильтры, состоящие из двух индуктивно связанных резонансных контуров, настроенных на промежуточную частоту. Полосовой фильтр обеспечивает высокую избирательность и хорошую равномерность усиления в пределах полосы пропускания. Контуры L1C1 и L2C2 показанные на рис. 2.1а, настроенные на промежуточную частоту, образуют полосовой фильтр. Число полосовых фильтров ПЧ выбирают в соответствии с таблицей 1
Таблица 1

Полоса Пропускания, Гц	Избирательность по соседному каналу, дБ	Количество фильтров
12000	16 – 20 20 – 25	2 3
8000	26 – 30 30 – 36	2 3
7000	30 – 36 36 – 42	2 3
6000	36 – 40 40 – 50	2 3

Рис. 2.1,а


Рис. 2.1,б


Связь между контурами фильтра ПЧ может быть емкостной (рис. 2.1, а) или индуктивной (рис. 2.1, б). Изменяя связь между контурами (изменением емкости конденсатора связи, расстояния между катушками или числа витков связи), можно регулировать полосу пропускания фильтра ПЧ, а следовательно, и избирательность приемника. При высоком уровне помех избирательность и чувствительность приемника повышают путем сужения полосы пропускания. Для получения хорошей избирательности контуры УПЧ должны иметь высокую добротность.
2.4.1 Построение тракта УПЧ транзисторных приемников
Большое различие входного и выходного сопротивлений транзисторов приводит к применению емкостных делителей (рис.2,а) или неполному автотрансформаторному включению контуров (рис.2,б). Вследствие частотно-зависимой внутренней обратной связи в транзисторах ограничивается коэффициент устойчивого усиления каскадов УПЧ. В настоящее время в транзисторных приемниках широко применяется схема УПЧ с фильтром сосредоточенной селекции ФСС.

В заключении следует отметить, что часто встречается необходимость усиления сигнала, используемого в дальнейшем для управления каким – либо устройством. Значительная часть сигнала в таких случаях не содержит информации, и вопрос об искажениях формы этой части оказывается второстепенным. При таких условиях использования усилителя оценка пригодности усиленного сигнала для выполнения заданных функций может быть совершенно другой, и критерии, упомянутые выше, теряют смысл.

Рис.2,а. Схема включения контура УПЧ: емкостным делителем

Рис.2,б. Схема включения контура УПЧ: автотрансформаторной связью



Рис. 3.3
Усилитель промежуточной частоты определяет избирательность приемника по соседному каналу, чувствительность его, и полосу пропускания, от которого зависит качество воспроизведения передач. В большинство отечественные радиоприемники имели промежуточную частоту 465 КГц (килогерц) или 465 тыс. Герц, с шириной пропускания полосы 10-15 КГц.

Усилители промежуточной частоты используются в супергетеродинных приемниках, эти приемники обладают более качественными показателями по сравнению с радиоприемниками прямого преобразования.

Если мы подадим в усилитель промежуточной частоты сигнал с частотой 465 КГц и мощностью 5 милливольт, то на выходе мы получим усиленный сигнал 10-20 милливольт, но стой же частотой.

Усилитель промежуточной частоты не только улучшает качество радиосигнала, но и усиливает его.

Здесь показана простая схема УПЧ (рис. 2.3)с одним транзистором и с одним контуром для наглядного примера. На самом деле схемы радиоприемников на много сложны, но суть одна.

3. Практическая часть.

3.1. Основные методы включения транзистора в усилительном каскаде.
Существует три основных вида возможных включений транзистора в усилительном каскаде:

а) схема включения с общим эмиттером (О.Э)



Рис.3.1

в) схема включения с общей базой (О.Б.)



Рис.3.2


с) схема включения с общим коллектором (О.К.)



Рис.3.3

В нашей работе проводится расчет, монтаж, наладка и испытание усилительного каскада, включенного по схеме с ОЭ. На рис.3.4показана типовая схема, обеспечивающая стабильный режим усилительного каскада (О.Э.)



Рис.3.4
3.2 Расчет усилителя
1. Прежде всего, необходимо правильно выбрать ток и напряжение коллектора в статистическом режиме.

Ток I_К и напряжение U_K обычно выбираются либо из условий поставленной задачи, либо исходя из данных справочника. Например, для транзистора П403 (p-n-p), из справочника следует: U_K= -5V, I_К = 5 mA.

На рис.3.5 показано семейство статистических выходных характеристик транзистора, включенного по схеме с ОЭ.



Рис.3.5

- статистическая линия нагрузки (R_Н = R_К)

- динамическая линия нагрузки [R'_H=(R_K||R_H)]
2. Возьмем в качестве напряжения питания Е_К = - 12V. Тогда



3. Из теории следует, что для того, чтобы при данном Е_К обеспечить необходимое напряжение на транзисторе, U_Э должно быть равным:

U_Э = (0,15÷0,2)·Е_К

где U_Э - напряжение эмиттер-"земля". Возьмем U_Э = 0,2 Е_К, тогда

, но I_Э ≈I_K , значит .

R_Э, С_Э - служат для эмиттерной стабилизации режима работы каскада. Причем основное назначение C_Э – устранить отрицательную обратную связь, вызываемую R_Э.

С_Э должно удовлетворить условию:

, где f_min- нижняя рабочая частота (kHz).

Возьмем f_min= 0,5 kHz

5. Поскольку U_б = U_бэ + U_э и величиной U_бэ ≈ 0,35V здесь можно пренебречь, то U_б ≈ U_э = 0.2Е_К

6. Величина R_б находится из условия температурной стабильности режима работы усилительного каскада.

Известно, что практически все параметры транзистора зависят от температуры. Для транзистора:

I_k = α·I_э + I_k0

Наиболее сильно зависят от температуры:

I_k0 - тепловой ток коллектора;

α- входная характеристика эмиттерного перехода.

В общем случае температурный дрейф коллекторного тока:



Величину называют коэффициентом нестабильности,

- коэффициентом распределения тока в базовой цепи,

β_ст - статическим коэффициентом усиления по току в схеме О.Э.

R_Э0=R_Э+r_Э

R_Б0=R_Б+r_Б = (R₁||R₂) +r_Б

Приближенно: , так как характеристики транзистора r_Э и r_Б малы: (r_Э 25Ω, r_Б 50Ω, r_к 10⁵Ω).

Из формулы видно, что ΔI_k тем меньше, чем меньше S_Н, а в свою очередь зависит от γ:

при γ =1 S_min = α,

при γ =0 S_min = β_ст.

Следовательно, для обеспечения стабильности каскада желательно увеличивать R_Э и уменьшать R_Б.

Оптимальная величина коэффициента нестабильности обычно равна:

S_{Н опт} = 2÷ 5

Возьмем значение S_Н =5.

В этом случае R_Б = R_Э (S_Н - 1)

7. Базовый делитель состоит из двух сопротивлений R₁ и R₂, величина которых находится из решения системы уравнений:



т.е. ; .

Второе уравнение системы получается из условия, что для стабильности режима работы каскада ток делителя должен намного превышать ток в базе транзистора I_Б, и таким образом практически полностью задавать потенциал базы.

ЗАДАНИЕ. Рассчитайте каскад на транзисторе П403.