Расчет параметров усилителя радиочастоты.

 

Усилитель радиочастоты (УРЧ) – это устройство, обеспечивающее усиление мощности или умножения частоты высокочастотных колебаний.

УРЧ практически не отличается от генераторов с внешним возбуждением. Для уменьшения опасности самовозбуждения в УРЧ используются пентоды или транзисторы с минимальным значением коллекторно-базовой ёмкости.

Рассмотрим схему на пентоде (рис.3.1.).

 

Рис.3.1. Схема УРЧ на пентоде электрическая принципиальная.

 

Условием самовозбуждения такой схемы является неравенство:

,

где Д – проницаемость лампы;

S – крутизна лампы;

Z_p – резонансные сопротивление контура.

Для обеспечения устойчивости необходимо, чтобы:

Поскольку у пентода , условие устойчивости принимает вид:

- для лампы,

- для транзистора,

где S_к – крутизна коллекторного перехода.

Анализируя схему с учетом того, что и получим максимально допустимое значение резонансного сопротивления контура, при котором усилитель будет устойчив.

,

г де ω – частота входного сигнала.

Это же условие можно записать через ограничение коэффициента усиления:

Для обеспечения некоторого запаса устойчивости полученные значения Z_p и К_у уменьшают в 2 раза.

Из формулы видно, что для обеспечения устойчивости необходимо уменьшать . Этого можно добиться увеличением r и С, и уменьшением L. Все это приводит к уменьшению добротности . Поэтому в схемах УРЧ обычно используют частотное включение колебательного контура в анодную или коллекторную цепь, что уменьшает Z_p, не влияя на добротность.

Произведем расчет параметров усилителя радиочастоты на транзисторе, схема которого представлена на рис.3.2.

 

Lк1

Рис.3.2. схема УРЧ на транзисторе электрическая принципиальная.

 

Исходные данные для расчета:

1. ёмкость коллектор-база – С_к-б = 5 пФ;

2. сопротивление потерь - r_п = 2 Ом;

3. входное сопротивление – R_вх = 10 кОм;

4. коэффициент усиления – К_у = 30;

5. крутизна коллекторного тока – S_к = 25 мА/В.

Исходя из заданных значений и результатов расчета ВУ определим:

1. число каскадов на выбранном типе транзистора;

2. параметры колебательного контура УРЧ - L_K1, C_K1, Q₁, Z_p1;

3. избирательность усилителя – V₁;

4. выходное напряжение УРЧ – U _вых;

5. проводить выполнение устойчивости УРЧ и сделать вывод о способе подключения колебательного контура;

6. для уточнения напряжения УРЧ учесть его входное сопротивление R_вх, то есть найти эквивалентную добротность ВУ Q_э и уточнить коэффициент передачи К_пер.

Эквивалентная добротность рассчитывается по формуле:

,

где Q – добротность входного контура,

Z_p – его входное сопротивление.

Коэффициент передачи:

Входное напряжение УРЧ:

В

Выходное напряжение усилителя радиочастоты найдем по формуле:

В

Ом

Условие устойчивости усилителя радиочастоты определяется по формуле:

Ом

Так как Z_Р1<Z_Pдоп то усилитель радиочастоты неустойчив и контур включается частично.

Гн

Ф

Расчет детектора.

Важнейшей задачей любого радиоприемника является преобразование тока высокой частоты на входе приемника в колебания звуковой частоты на его выходе. Этот процесс называется детектированием.

Для осуществления такого преобразования один из элементов детектора должен иметь нелинейную ВАХ. В качестве таких элементов могут использоваться полупроводниковые диоды, электронные лампы или транзисторы. Все эти элементы при небольшом напряжении U_вх < 0,2-0,5 В имеют ВАХ вида: ,

где i – выходной ток,

U – входное напряжение,

А и В – постоянные коэффициенты.

При увеличении входного сигнала имеем:

i = A·U, при U > 0,5 В

i = 0, при U < - 0,5 В

Детектор первого типа, то есть при малых входных сигналах называется квадратичным, а детектор второго типа, при больших входных сигналах – линейным.

Важнейшей характеристикой любого детектора является коэффициент передачи, то есть отношение низкой или звуковой частоты к входному напряжению высокой частоты.

Из приведенных выше формул видно, что коэффициент передачи квадратичного детектора пропорционален величине входного напряжения, а у линейного детектора он является величиной постоянной.

Преимуществом квадратичного детектора является возможность прием более слабых сигналов, а недостатком – нелинейные и частотные искажения, поскольку кроме полезного тока звуковой частоты на выходе схемы будет протекать и ток двойной звуковой частоты.

Если в передатчике использовалась амплитудная модуляция, то детектирование так же должно быть амплитудным. Их основные типы:

1.детектор на полупроводниковом или ламповом диоде;

2.анодный, катодный, сеточный детекторы;

3.коллекторный и эмиттерный детекторы.

Рассмотрим схему на полупроводниковом диоде (Рис.4.1.).

 

Рис.4.1. Схема детектора на полупроводниковом диоде.

Если к зажимам VD приложено переменное напряжение небольшой амплитуды, то выходной ток детектора так же будет периодическим, но не будет синусоидальным. (Рис.4.2.). За счет нелинейной характеристики диода в детекторе будет протекать высокочастотный ток i с частотами ω, 2ω, 3ω, …, где ω – частота входного ток i, а так же постоянный ток I₀ (Рис.4.2.).

 

 

 

Рис.4.2. Картина токов и напряжений на диоде, выходе и входе детектора.

 

При правильном выборе параметров детектора высокочастотные составляющие тока замыкается через конденсатор С, а постоянная составляющая выделяется на активном сопротивлении r (Рис.4.1.).

Если входной сигнал прерываются в такт с передаваемыми импульсами, то на выходе детектора получим импульсы постоянного тока (Рис.4.3.).

 

 

Рис.4.3. Импульсы напряжений детектора на входе и выходе.

 

Эти импульсы используются для приведения в действие телеграфного аппарата. Если на входе детектора подается высокочастотный сигнал модулированный по амплитуде, то на сопротивлении нагрузки будет выделяться напряжение низкой или звуковой частоты, несущее переданную информацию (Рис.4.4.).

 

 

Рис.4.4. Графики импульсов напряжений детектора на входе и выходе.

 

Последний представляет собой реальный вид импульса выходного напряжения.

Для нормальной работы необходимо иметь быстрый заряд конденсатора С, то есть малое прямое сопротивление r.

Произведем расчет параметров детектора на полупроводниковом диоде, схема которого приведена на рис.4.5.

 

 

 

Рис.4.5. Схема детектора на полупроводниковом диоде.

Данные для расчета:

1. частоты модулируемого сигнала: F_н = 100 Гц, F_в = 5000 Гц;

2. сопротивление: R₂ = 5 кОм.

Требуется определить:

1. величины C, R_н, C, параметры колебательного контура детектора L_к2, K_к2, r_п2.

2. по входной частоте f₀ и прямому току выбрать тип диода.

Круговые частоты определяются из соотношений:

рад/с

рад/с

Из соотношения определим R_н:

Ом

Из соотношения найдем С:

Ф

Из соотношения найдем С_р:

Ф

Как видно из схемы, входное напряжение детектора:

В

Выходное напряжение детектора найдется как:

В

Это напряжение на входе УНЧ. При его определении мы пренебрегли падением на прямом сопротивлении диода.

Для нахождения прямого тока схему детектора сворачиваем к виду:

 

 

Эквивалентное сопротивление имеет вид:

где Ом,

Ом

Ом

Ом

Ом.

Прямой ток детектора:

мА

По входной частоте и прямому току выберем тип диода:

Диод Д10Б – средний выпрямленный ток 10 мА, частота до 150 МГц.