Устройство УВЧ

Каскады усиления сигналов высокой частоты включаются, как мы уже указали, между антенной и детектором. Их задача - повысить мощность (а значит, напряжение или ток) радиосигнала до величины, успешно преобразуемой детектором в сигнал первичной формы. Укажем, что практически с зажимов антенных цепей на вход первого каскада снимается напряжение порядка десятков или сотен микровольт, а для воздействия на детектор необходимо напряжение около одного и даже нескольких вольт. Следовательно, по напряжению высокой частоты требуется усиление в десятки тысяч раз (а по мощности во много миллионов раз).

Обычно в современных радиовещательных приемниках это большое усиление распределяется между двумя областями частот: высокой и промежуточной. Усилители первой области должны настраиваться каждый раз на частоту той или иной принимаемой радиостанции. Поэтому более точно такие усилители следует называть усилителями на частоте приходящего сигнала. Но мы условимся называть их усилителями высокой частоты.

Колебания любого радиосигнала после усиления подвергаются преобразованию из высокой частоты в промежуточную, которая для данного приемника вполне определенна и также лежит в диапазоне радиочастот. Далее следует усиление на этой промежуточной частоте. Каскады усиления на промежуточной частоте в принципе сходны с каскадами усиления на частоте приходящего сигнала, но они не требуют перестройки, а потому могут быть конструктивно более простыми, а электрически более совершенными. Мы будем считать усилители промежуточной частоты отдельным видом усилителей. Подчеркнем, что рассмотренные нами усилители низкой частоты могут иметь и самостоятельное применение, тогда как усилители высокой и промежуточной частоты применяются только в составе радиоприемников.

Радиосигнал представляет собой колебание высокой частоты, модулируемое управляющим (первичным) сигналом. При наличии модуляции сигнал перестает быть "монохроматичным", т.е. одночастотным. Модуляция создает дополнительные колебания, которые в простейшем случае располагаются на оси частот справа и слева от основного колебания, образуя спектр радиосигнала (рис. 9-23). Для приема такого сигнала выгодно применять усилитель, обладающий свойствами избирательности, т.е. способный разместить спектр радиосигнала в пределах своей полосы пропускания и подавить помехи на частотах, лежащих вне этой полосы.

Рис. 9-23. Радиосигнал в полосе пропускания усилителя высокой частоты.

Свойства избирательности достигаются тем, что в каскаде усиления по высокой частоте нагрузочным элементом выходной цепи служит диапазонный резонансный контур. Как правило, контур настраивается конденсатором переменной емкости, и лишь сравнительно редко перестройка осуществляется изменением индуктивности или одновременным изменением индуктивности и емкости.Ламповые каскады резонансного усиления высокой частоты выполняются обычно на пентодах, и только в диапазоне ультракоротких волн встречается применение специальных триодов. Пентоды выгодны малым значением емкости анод-управляющая сетка (см. гл. 8) и другими своими свойствами. Схема резонансного каскада на пентоде (вместе с входом следующего каскада) изображена на рис.9-24,а.

Рис. 9-24. Каскад резонансного усиления на пентоде:а - схема каскада;б - упрощенная эквивалентная схема цепи анода по переменному току.

Детали, входящие в схему каскада, имеют следующее назначение. Напряжение смещения подается на управляющую сетку с сопротивления Rк (сотни ом), шунтируемого конденсатором Cк (около 0,1 мкф). Следует отметить, что обеспечить в резонансном усилителе работу лампы на линейном участке характеристики и без тока управляющей сетки проще, чем в оконечном каскаде усиления низкой частоты, так как здесь амплитуды усиливаемых колебаний малы. Питание экранирующей сетки осуществлено через "гасящее" сопротивление Rc2 (порядка сотен килоом), блокируемое по высокой частоте конденсатором Cc2 (примерно 0,01-0,1 мкф). В анодную цепь лампы включен "параллельный" контур (см. гл. 2), образованный индуктивностью L (иногда с сердечником из магнитодиэлектрика) и переменной емкостью C (обычно один из конденсаторов с составе "блока" конденсаторов на общей оси). Величины L и C определяются диапазоном частот приемника. Обычно диапазон охватывается несколькими поддиапазонами (переход с одного поддиапазона на другой осуществляется подключением различных катушек L). Для того чтобы устранить влияние емкости между рукой оператора и пластинами конденсатора на частоту контура, ротор конденсатора присоединяют к корпусу (металлическому шасси) приемника. Это возможно лишь при включении в контур фильтрующей емкости Cф (десятки тысяч пикофарад), защищающей "плюс" источника Ea от замыкания на корпус, к которому присоединен "минус". Чтобы исключить обратную связь последующих каскадов с предыдущими через внутреннее сопротивление источника питания, переменные токи анодных цепей не пропускаются в источник питания "фильтрующими" сопротивлениями Rф, которые имеются отдельно в каждом каскаде (сопротивление примерно 10000 Ом и более). Емкость фильтра Cф значительно больше, чем основная емкость контура C; обе они, соединенные последовательно, входят в контур. Очевидно, что влияние Cф на частоту контура несущественно, и приближенно мы можем вычислять частоту резонанса токов, не учитывая емкость Cф. Напряжение высокой частоты, возникающее на контуре при действии радиосигнала, подается на сетку следующей лампы через конденсатор Cc, имеющий емкость порядка сотен пикофарад и хорошую изоляцию между обкладками. Для подачи отрицательного смещения на управляющую сетку следующей лампы она соединена с катодным сопротивлением через сеточное сопротивление Rc (сотни килоом). Таков состав схемы резонансного каскада. На рис.9-24,б дана упрощенная эквивалентная схема для переменных токов и напряжений цепи анода (ср. с рис.9-4,б). В эквивалентной схеме мы пренебрегли сопротивлением конденсатора Cc, так как оно мало на радиочастотах. Мы пренебрегли также сопротивлением конденсатора Cф и шунтирующим действием большого сопротивления Rc. Внутреннее сопротивление Ri относится к лампе как источнику э.д.с. , а сопротивление rк есть активное сопротивление внутри контура, определяющее его добротность. Контур настраивается в резонанс с частотой принимаемого сигнала. Тогда для этой частоты (и приближенно для всех частот спектра сигнала) сопротивление контура оказывается чисто активным и имеющим величину

. На этом сопротивлении анодный переменный ток и

создает выходное напряжение Um2. Точно так же, как и для усилителя низкой частоты, мы без труда найдем коэффициент усиления каскада по напряжению (на резонансной частоте):

(9-21)

Для получения большого усиления требуется контур с большим резонансным сопротивлением Rэ и лампа с большой крутизной S. Так, например, при сопротивлении контура Rэ= 10 кОм и при крутизне пентода S = 4 мА/В коэффициент усиления Kрез = 40. Но выбор сопротивления Rэ ограничивается следующими обстоятельствами. Во-первых, добротность замкнутого контура Q практически трудно получить свыше 100, особенно при самодельной катушке L. Во-вторых, при очень большом сопротивлении Rэ будет сказываться заметно шунтирующее действие сопротивлений Rc и Ri (последнее очевидно, если изобразить схему с генератором тока S·Um1 подобно схеме на рис. 9-10), которое снижает эквивалентную добротность схемы. В-третьих, высокая добротность контура может так ограничить его полосу пропускания, что в ней не уложится спектр сигнала (см. рис. 9-23) и это приведет к частотным искажениям. С таким явлением приходится считаться при радиотелефонном приеме на длинных волнах. Известно, что спектр радиовещательного сигнала занимает примерно 10 кГц. Следовательно, полоса пропускания контура должна быть не менее этой величины. Если взять контур с добротностью Q = 80, то на частоте f0 = 80 кГц (т.е. при длине волны ) полоса Такая полоса

совершенно непригодна для радиотелефонного приема. И действительно,

на волнах свыше 2000 м радиотелефонная передача вовсе не применяется. Если же при той же добротности контура частота f0 = 800 кГц (т.е. ), то полоса , что вполне нормально для радиовещательного приема. Наконец, если перейти в диапазон коротких волн и взять частоту сигнала f0 = 8 МГц (т.е. ), то полоса пропускания , что явно избыточно для радиотелефонии и приносит ущерб избирательности приемника. Значит, на длинных волнах приходится иногда умышленно расширять полосу пропускания по сравнению с достижимой ее величиной. На коротких же волнах полоса пропускания всегда получается более широкой, нежели это необходимо по соображениям избирательности радиотелефонного приема. Именно такие свойства резонансных систем и резонансных усилителей и приводят к целесообразности супергетеродинного метода приема, т.е. приема с преобразованием частоты любого сигнала в промежуточную частоту, которая позволяет обеспечить требуемую ширину полосы при нормальной добротности контуров усилителей. Обычно для радиотелефонии промежуточная частота составляет 465 кГц (т.е). Для приема художественного вещания с частотной модуляцией и для телевизионного приема спектры сигналов значительно шире, а потому и выбор промежуточной частоты производится в других диапазонах. Но даже и в том случае, когда полоса пропускания колебательного контура усилителя соответствует спектру сигнала, избирательность не может быть признана высокой. Действительно, пологие скаты частотной характеристики каскада (см. рис. 9-23) оставляют возможность воздействия помех, частота которых даже и не входит в полосу пропускания каскада. С этой точки зрения наивыгоднейшей формой частотной характеристики была бы прямоугольная форма (рис. 9-25): она обеспечивает одинаковое усиление колебаний всех частот спектра сигнала и полное подавление всех колебаний, частоты которых лежат вне этой полосы.

Рис. 9-25. Идеальная форма резонансной характеристики.

В действительности такую форму частотной характеристики получить нельзя; но приближаться к ней можно, применяя в усилителе несколько резонансных контуров. Даже при наличии в составе усилителя нескольких одноконтурных резонансных каскадов общая избирательность улучшается. Действительно, общая частотная характеристика представляет собой произведение соответственных ординат характеристик отдельных каскадов. Если же каскады одинаковы, то для двух каскадов получится

общая характеристика обладает более крутыми скатами и дает лучшую избирательность по сравнению с характеристикой одного каскада. В качестве примера на рис. 9-26 дается схема двухкаскадного резонансного усилителя для средних волн. Оба колебательных контура имеют высокие значения добротности. Чтобы не ухудшать добротность шунтирующим действием внутренних сопротивлений ламп, связь между анодными цепями и колебательными контурами индуктивная. Это дает обычно меньшее усиление, но не приводит к расширению полосы , свойственной контуру. При таком включении не нужны конденсатор Cc и сопротивление Rc, показанные на рис.9-24,а. Конденсаторы переменной емкости имеют общую ось (что изображается пунктирной линией). Для уточнения настройки контуров на одинаковую частоту (при наладке усилителя) параллельно конденсаторам переменной емкости подключены небольшие подстроечные конденсаторы.

Рис. 9-26. Пример двухкаскадного резонансного усилителя на пентодах.

В усилительных каскадах высокой частоты на транзисторах целесообразна схема с общим эмиттером. Колебательный контур включается в цепь коллектора, и с этого контура снимается переменное напряжение на вход следующего каскада.

Рис. 9-27. Усилительные каскады высокой частоты на транзисторах: а - с двойным автотрансформаторным включением; б - с индуктивной связью контура с цепью коллектора.

Для того чтобы выходное сопротивление транзистора данного каскада и входное сопротивление следующего каскада (величины которых меньше, чем у ламповых каскадов) не снижали резко добротности контура своим шунтирующим действием, применяется неполное (автотрансформаторное) подключение к контуру этих сопротивлений с коэффициентами включения соответственно p1 и p2 (рис.9-27,а). Возможно также применение трансформаторной связи с цепью коллектора (рис.9-27,б). В первой из этих схем имеется конденсатор C1 большой емкости, не допускающий замыкания источника E на катушку L при соприкосновении пластин конденсатора настройки C. Во второй схеме надобность в таком конденсаторе отпадает. Конденсаторы C2 в обеих схемах пропускают на вход следующего каскада высокочастотный сигнал и позволяют стабилизировать смещение на базах с помощью делителей постоянного напряжения R1R2 и сопротивлений R3, блокируемых по высокой частоте конденсаторами C3. Как для ламповых, так и для транзисторных резонансных каскадов с неполной связью между контуром и цепями электродов формула (9-21) приобретает следующий вид:

(9-22)

где Rэ - резонансное (эквивалентное) сопротивление контура при учете ослабленных шунтирующих влияний выходного и последующего входного сопротивлений, а p1 и p2 - соответствующие коэффициенты включений. Крутизна S для транзистора может быть введена как отношение прироста тока коллектора к вызвавшему его приросту напряжения смещения на базе.