“ВХОДНЫЕ ЦЕПИ”
Цель работы: изучить основные схемы входных цепей транзисторных радиоприемников и исследовать их свойства.
Краткие теоретические сведения.
Входная цепь (рис.14) – это специальное устройство, включаемое на входе первого каскада радиоприемника и служащее для предварительной частотной селекции сигналов, поступающих из антенны. Входная цепь состоит из одного или нескольких контуров, настраиваемых на частоту принимаемого сигнала f0 .
К входной цепи (ВЦ) предъявляется ряд требований.
1. Напряжение принимаемого сигнала должно передаваться от антенны к транзистору с минимальными потерями.
2. Полоса пропускания ВЦ (ПВЦ) должна соответствовать спектру принимаемого сигнала.
3. ВЦ должна обладать высокой селективностью, т.е. степенью подавления мешающих сигналов. Для входных цепей супергетеродинных приемников важное значение имеет ослабление мешающих сигналов на зеркальной частоте, отличающейся от частоты принимаемого сигнала на две промежуточные (fзерк = f0 + 2fПЧ ), и на промежуточной частоте. Соответственно различают селективность по зеркальному (Sзерк) и прямому (Sпр) каналам.
|
|
4. ВЦ должна допускать настройку на любую частоту диапазона от f0мин до f0макс . При этом основные показатели не должны сильно изменяться при перестройке.
5. ВЦ не должна быть чувствительна к разбросу параметров антенны и транзистора.
Свойство ВЦ передавать полезный сигнал характеризуется резонансным коэффициентом передачи
, (12)
где Uвых0 - напряжение на выходе ВЦ при ее настройке на частоту принимаемого сигнала;
Eа - ЭДС, наводимая в антенне принимаемым сигналом (рис.14).
Селективные свойства ВЦ характеризуются формой ее резонансной характеристики.
Перестройка ВЦ в заданном диапазоне частот производится, как правило, с помощью конденсатора переменной емкости (КПЕ). При этом каждому положению КПЕ соответствует своя резонансная характеристика (на рис.15 эти характеристики показаны для трех фиксированных положений КПЕ: для максимальной, средней и минимальной емкостей КПЕ). Следует отличать резонансную характеристику К(f) от частотной характеристики резонансного коэффициента передачи ВЦ Ko(fo). Последняя представляет собой траекторию движения вершины резонансной характеристики при изменении емкости КПЕ (штриховая линия на рис.15). Основные параметры ВЦ в значительной мере определяются способом соединения контура с антенной и транзистором. Как правило, для получения приемлемых характеристик ВЦ приходится существенно ослаблять связь контура с антенной и транзистором. Рассмотрим вначале влияние антенны на параметры ВЦ.
|
|
Приемная антенна, находящаяся под воздействием электромагнитного поля, может быть представлена в виде генератора ЭДС Еa, обладающего внутренним сопротивлением Za. Величина Еa пропорциональна напряженности поля Е в месте приема:
, (13)
где hд - действующая высота антенны, зависящая от ее конструкции и рабочей частоты.
Сопротивление антенны Za зависит от частоты сложным образом, так как любая антенна представляет собой цепь с распределенными параметрами. В сравнительно узком диапазоне частот сопротивление антенны может быть заменено эквивалентной схемой с сосредоточенными параметрами. В частности, сопротивление наружной антенны при приеме на ДВ и СВ может быть представлено в виде последовательного соединения активного сопротивления ra и емкости Ca (рис. 16).
Радиоприемник должен допускать работу от различных антенн. В случае работы приемника с неопределенной антенной необходимо учитывать средние параметры антенны и величину разброса этих параметров. Обычно средние значения параметров антенны таковы: Сa= 200 пФ, ra =25 Ом. Возможные отклонения Сa и ra от среднего значения характеризуются коэффициентами qc и qr:
(14)
При непосредственной связи антенны с контуром (простая ВЦ) в контур вносятся активное к реактивное сопротивления. За счет активного сопротивления ra снижается эквивалентная добротность контура и ухудшается избирательность, а за счет емкости антенны Сa происходит расстройка контура. Скомпенсировать эти изменения при изготовлении приемника невозможно, так как заранее неизвестно, с какой антенной он будет работать. Для снижения влияния параметров антенны на входной контур и, следовательно, повышения стабильности ВЦ требуется ослабить связь антенны с контуром. Входные цепи, имеющие ослабленную связь с антенной, называются сложными.
По виду связи с антенной различают сложные входные цепи с емкостной (рис.17, а), индуктивной (рис.17, б) и комбинированной (рис17, в) связью с антенной.
При емкостной связи с антенной (рис. I7, а) между антенной и контуром включается конденсатор связи CСВ. При этом результирующая емкость цепи антенны равна:
, (15)
Если выбрать емкость CСВ из условия CСВ << Сa, то результирующая емкость C0, которая меньше CСВ будет оказывать слабое влияние на настройку контура. При таком выборе CСВ влияние сопротивления ra на добротность контура также будет незначительно.
Резонансный коэффициент передачи ВЦ:
, (16)
Где m - коэффициент включения транзистора в контур ВЦ.
Как следует из (16), коэффициент передачи K0, пропорционален C0 , поэтому CСВ не следует выбирать чрезмерно малой. Обычно Cсв выбирают порядка 10 пФ.
При настройке контура ВЦ с помощью КПЕ (Cн) можно считать, что добротность контура в пределах диапазона остается постоянной. При этом, как видно из (16), резонансный коэффициент передачи пропорционален квадрату частоты принимаемого сигнала, т.е. обладает сильным непостоянством по диапазону (рис.18, кривая 1).
Емкостная связь проста конструктивно, но непостоянство коэффициента передачи препятствует ее широкому применению. Обычноэта связь применяется на фиксированных частотах или при малых коэффициентах перекрытия.
При индуктивной связи с антенной (рис.17, б) катушка связи вместе с емкостью антенны образует последовательный контур с собственной частотой
(18)
В зависимости от выбора индуктивности Lсв возможны два режима работы: с удлиненной антенной, когда ω0a< ω0мин (режим удлинения) и с укороченной антенной, когда ω0a>ω0мин (режим укорочения).
ЭДС взаимоиндукции, наводимая во входном контуре:
, (19)
где Ia – ток в антенном контуре.
В режиме сильного укорочения (ω0a>>ω0мин) сопротивление последовательного антенного контура в диапазоне перестройки контура ВЦ ω0мин… ω0макс имеет емкостный характер, поэтому ток Ia пропорционален частоте ω0. В связи с этим резонансный коэффициент передачи ВЦ, зависящий от ЭДС Eм, оказывается пропорциональным квадрату частоты и индуктивная связь с антенной не дает никаких преимуществ по сравнению с емкостной. Обычно режим укорочения практически не используется.
|
|
В режиме сильного удлинения (ω0a<< ω0мин) цепь антенны на частоте ω0 имеет индуктивный характер сопротивления и ток Ia оказывается обратно пропорциональным частоте ω0. При этом (в первом приближении) резонансный коэффициент передачи ВЦ не зависит от частоты сигнала. Благодаря этому индуктивная связь с антенной в режиме удлинения находит наибольшее применение.
В режиме удлинения резонансный коэффициент передачи ВЦ
, (20)
где Kсв - коэффициент связи входного контура с антенной;
; (21)
f0 – частота, на которой определяется K0.
Величина xa, определенная для минимальной частоты диапазона f0мин, называется коэффициентом удлинения Kа:
. (22)
При малых значениях Kа (т.е. в режиме сильного усиления) требуется, как следует из (21), катушку связи выполнить с большой индуктивностью. При этом, как видно из (20), снижается коэффициент передачи K0. Поэтому обычно Kа выбирают порядка 0,7. В некоторых случаях, чтобы не увеличивать чрезмерно Lсв, параллельно катушке связи включают дополнительный конденсатор С (рис.17, б). При этом возрастает емкость антенной цепи Ca и уменьшается ее резонансная частота.
При сравнительно больших коэффициентах удлинения (порядка 0,7 и больше) зависимость резонансного коэффициента передачи от частоты имеет падающий характер (рис.18, кривая 2).
При выборе степени связи входного контура с удлиненной антенной исходят из необходимости обеспечить слабое влияние параметров антенны и их разброса на работу входного устройства и из конструктивной осуществимости требуемой связи. Практически выполнимое значение коэффициента связи (Kсв) не превышает 0,5…0,7.
|
|
Селективность по зеркальному каналу может быть определена (для наихудшего случая, когда входная цепь настроена на частоту f0макс) по упрощенной формуле
, (23)
где
. (24)
Селективность по прямому каналу определяется для случая настройки ВЦ на ту крайнюю частоту диапазона f0, которая наиболее близка к промежуточной частоте fпч, по упрощенной формуле
, (25)
где
. (26)
Если селективность по прямому каналу оказывается недостаточной, то для ее повышения используют включение дополнительного режекторного контура, настроенного на частоту fпч.
При комбинированной связи с антенной (рис.17,в) в результате совместного действия обоих видов связи (индуктивной в режиме удлинения и емкостной) резонансный коэффициент передачи ВЦ оказывается во всем рабочем диапазоне частот сравнительно постоянным (рис.18, кривая 3). Основным недостатком схемы является пониженная селективность по зеркальному каналу. В связи с этим подобная схема имеет ограниченное применение.
Рассмотрим теперь влияние транзистора на работу ВЦ, пренебрегая влиянием антенной цепи.
При непосредственной связи транзистора с контуром его входная проводимость Y11 = g11 + j b11 оказывается включенной параллельно контуру. Такая связь, как и в случае антенной цепи, приводит к расстройке контура (за счет проводимости g11) и к увеличению его затухания (за счет проводимости g11). Проводимость Y11 может отклоняться от номинального значения как из-за неидентичности транзисторов одного и того же типа (т.е. из-за разброса параметров), так и вследствие изменения режима транзистора и температуры окружающей среды. В результате этих отклонений могут изменяться частота настройки и полоса пропускания ВЦ. Для повышения стабильности и селективности ВЦ приходится ослаблять связь транзистора с контуром. Степень связи характеризуется показателем связи A1:
, (27)
где gr - активная составляющая проводимости входного контура, пересчитанная ко входу транзистора.
Обычно наибольшее влияние на выбор A1 оказывает отклонение активной проводимости g11, на величину Δ g11, (в ту или иную сторону) от номинального значения. Относительное изменение этой проводимости имеет порядок
.
Исходя из выбранного значения A1 в зависимости от схемы ВЦ, можно найти коэффициент включения транзистора в контур ВЦ m.
При ослабленной связи транзистора с контуром резонансный коэффициент передачи ВЦ для случая удлиненной антенны равен
. (28)
На рис.19 приведены практические схемы входных цепей для разных диапазонов.