Определение. Полосовые усилители – это резонансные усилители, работающие на фиксированной частоте и имеющие сложную избирательную систему (нагрузку).
Полосовые усилители применяются, в частности, в качестве усилителей промежуточной частоты (УПЧ) супергетеродинного радиоприемника (далее полосовые усилители будут именоваться УПЧ). Как известно, номинал промежуточной частоты fПЧ постоянен, поэтому нагрузка УПЧ (избирательная система) неперестраиваемая − настроена на одну частоту.
Определение. УПЧ − электронный усилитель сигналов промежуточной частоты, поступающих с преобразователя частоты (см. схему супергетеродинного радиоприемника лекция№15).
К УПЧ предъявляются ряд требований:
− УПЧ должен обладать высоким коэффициентом усиления (К=100÷10000) на заданной частоте (полосе пропускания) при хорошей устойчивости;
− в УПЧ должно быть максимальное ослабление частот, лежащих за пределами полосы пропускания;
− в полосе пропускания УПЧ должны быть минимальные частотные и нелинейные искажения.
Диагностика тв тюнера. Самоучитель
1. Полоса пропускания УПЧ по сравнению с полосой пропускания преселектора значительно уже, поэтому от ее величины будут зависеть частотные искажения сигнала и избирательность по соседнему каналу. Полоса пропускания УПЧ определяется спектром полезного принимаемого сигнала.
2. УПЧ имеют фиксированную настройку. Такая настройка значительно упрощает конструкцию УПЧ и благодаря этому в УПЧ возможно применение сложных избирательных систем, обеспечивающих требуемую форму частотной характеристики.
3. В качестве резонансных систем в УПЧ применяются одиночные контуры и полосовые фильтры различных типов:
− пьезокерамические, пьезоэлектрические и пьезомеханические;
Определение: Полосовой фильтр – это электрический частотный фильтр, имеющий полосу пропускания, расположенную между двумя частотами среза.
Поэтому УПЧ часто называются полосовыми усилителями. Применение полосовых фильтров позволяет получить форму частотной характеристики, близкой к прямоугольной (идеальной) и тем самым обеспечить высокую избирательность по соседнему каналу и равномерное усиление спектра сигнала в пределах заданной полосы пропускания.
4. УПЧ обеспечивает основное усиление высокочастотного сигнала (на промежуточной частоте fПЧ усиление более устойчиво, так как номинал fПЧ достаточно низкий).
1. По типу усилительного элемента – ламповые, транзисторные и т.д.
2. По числу каскадов – однокаскадные, многокаскадные.
3. По типу избирательной системы – одноконтурные, с полосовыми фильтрами.
4. По ширине полосы пропускания Dfп:
− DfП / fПЧ > 0,05 − широкополосные УПЧ (применяются в телевизионных, радиовещательных и радиолокационных приемниках ЧМ сигналов на УКВ, а также в радиоприемниках космической, тропосферной и радиорелейной связи).
5. По принципу построения тракта усиления и обеспечения заданной избирательности существует два принципа построения схемы УПЧ−
− схема УПЧ с сосредоточенными избирательностью и усилением (функции усиления и избирательности разделены: одни каскады выполняют функцию избирательности, а другие − усиления);
Модуль CI+ Что это? Зачем? И на сколько удобно?
− схема УПЧ с распределенными избирательностью и усилением (функции усиления и избирательности распределены по всем каскадам, то есть каждый каскад выполняет и функцию усиления, и функцию избирательности).
Схема УПЧ с сосредоточенными избирательностью и усилением
В такой схеме УПЧ сложная избирательная система (КФ, ЭМФ и т.д.) включается в первый каскад, а остальные каскады делаются либо широкополосными, либо апериодическими (рис.17.1.). Избирательность УПЧ определяется избирательностью сложной избирательной системы, а остальные каскады имеют малую избирательность, и их основное назначение — усиливать сигнал.
Вход Сложная Выход
Рис.17.1. УПЧ с сосредоточенными избирательностью и усилением
Схема УПЧ с распределенными избирательностью и усилением
УПЧ этого вида делятся на следующие группы:
а) УПЧ с настроенными одноконтурными каскадами (рис.17.2), контур каждого из которых настроен на fПЧ − УПЧ I типа.
Рис.17.2. УПЧ с настроенными одноконтурными каскадами
б) УПЧ с парами расстроенных одноконтурных каскадов (рис.17.3), в которых контуры каждой пары каскадов настраиваются на частоты f01 и f02, симметричные относительно fПЧ − УПЧ II типа.
Рис.17.3. УПЧ с парами расстроенных одноконтурных каскадов
К УПЧ II типа можно отнести и УПЧ с тройками расстроенных одноконтурных каскадов.
в) УПЧ с двухконтурными полосовыми фильтрами в каждом каскаде (рис.17.4) − УПЧ III типа.
Рис.17.4. УПЧ с двухконтурными полосовыми фильтрами
УПЧ с распределенной избирательностью являются широкополосными УПЧ. Широкополосные УПЧ использовались в связных приемниках первых поколений. В настоящее время широкополосные УПЧ применяются в радиоприемниках диапазона СВЧ: в телевидении, радиолокации, в связках УКВ радиостанциях, в радиорелейных и спутниковых станциях.
Каскады широкополосных УПЧ должны обеспечивать значительное усиление сигнала (до 10 5 раз) и широкую полосу пропускания (в несколько десятков мГц).
В современных радиоприемниках ВМФ применяются каскады УПЧ, построенные по каскадной схеме (например, в УПЧ, Р-680).
Основные характеристики УПЧ
1. Коэффициент усиления К0. В отличие от УРЧ коэффициент усиления определяется не в диапазоне рабочих частот, а на промежуточной частоте fПЧ, постоянной для данного радиоприемника.
2. Полоса пропускания DfП определяется шириной спектра принимаемого сигнала и нестабильностью радиоканала. Полоса пропускания тракта ПЧ практически полностью определяет полосу пропускания приемника.
3. Избирательность по соседнему каналу оценивает ослабление помех по соседним каналам приема. Соседний канал (СК) – полоса частот, равная по ширине полосе пропускания DfП и примыкаемая к ее верхней и нижней границам (рис.17.5).
Этот показатель объединяет такие показатели, как полоса пропускания, коэффициент прямоугольности и частотные искажения сигнала. С точки зрения наибольшей частотной избирательности и наименьших частотных искажений сигнала желательна прямоугольная форма характеристики избирательности.
Рис.17.5. Характеристика избирательности усилителя
Остальные параметры УПЧ совпадают с параметрами УРЧ.
Выводы по 1-му вопросу:
1. Полосовые усилители используются, как правило, в качестве УПЧ супергетеродинных радиоприемников
2. К полосовым усилителям предъявляются высокие требования по избирательности и усилению.
Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:
Источник: studopedia.ru
Усилители промежуточной частоты Выполнила ст гр УИБ-11 -1
Усилитель промежуточной частоты (УПЧ) — электронный усилитель сигнала промежуточной частоты. Применяется в трактах радиоприемных и радиопередающих устройств, измерительных приборов. Широко используются при построении систем связи, радиолокации, радионавигации. Благодаря применению УПЧ достигается полная развязка между каскадами усиления в многокаскадных усилителях. Без применения УПЧ даже слабые наводки, создаваемые верхними каскадами усилителя, попадая в нижние каскады, вызвали бы эффект самовозбуждения колебаний, сделав невозможной работу усилителя.
УПЧ работает на фиксированной частоте f 0 , что позволяет упростить его конструкцию и применять для повышения избирательности сложные системы фильтров. Существуют два вида требований к амплитудно-частотной и фазочастотной характеристикам УПЧ в зависимости от вида принимаемых сигналов: 1) для приёмника АМ сигналов и импульсных сигналов АЧХ стремятся сделать близкой к прямоугольной, причём в пределах полосы пропускания создать равномерное усиление, а вне полосы пропускания обеспечить необходимое ослабление мешающих сигналов соседних станций; при этом специальных требований к форме ФЧХ не предъявляется; 2) для приёмников сигналов с угловой модуляцией (ФМ и ЧМ сигналов) задаются требования на линейность ФЧХ, а к форме АЧХ особых требований не предъявляют, за исключением того, что она должна обеспечивать необходимую избирательность по соседнему каналу.
На практике наиболее распространены три формы АЧХ УПЧ (рис. 6. 1): • с одним максимумом ( «одногорбая» ); • с максимально плоской вершиной; • с несколькими максимумами ( «многогорбая» ).
Степень близости АЧХ УПЧ к идеально прямоугольной характеризуется коэффициентом прямоугольности: Чем ближе коэффициент прямоугольности к единице, тем круче склоны АЧХ, т. е. тем она ближе к прямоугольной.
В соответствии с используемым способом обеспечения частотной избирательности УПЧ делят на две большие группы: • УПЧ с распределённой избирательностью – когда каждый каскад вносит равный вклад как в усиление, так и в избирательность УПЧ в целом; • УПЧ с сосредоточенной избирательностью – когда избирательность обеспечивается одним (обычно первым) узкополосным каскадом, а усиление – остальными, широкополосными, каскадами.
Для радиовещательных приёмников значение промежуточной частоты определяется стандартом: — 465 к. Гц – для приёмников АМ сигналов; — 6, 5 МГц и 10, 7 МГц – для приёмников ЧМ сигналов. Для приёмников радиолокаторов и радиосистем передачи информации диапазона СВЧ типовые значения промежуточной частоты составляют 30 МГц, 60 МГц, 90 МГц, 200 МГц. Полоса пропускания УПЧ определяется шириной спектра сигнала и, следовательно, зависит от типа сигнала и вида модуляции. Типовые значения ширины спектра некоторых видов сигналов составляют: радиотелефонная связь с АМ – 6 к. Гц радиовещание с АМ – 9 -13 к. Гц радиовещание с ЧМ – 250 к. Гц импульсная радиолокация – 1 -10 МГц Поскольку узкополосный УПЧ легче реализовать, чем широкополосный, то чем больше ширина спектра сигнала, тем выше должна быть промежуточная частота с тем, чтобы УПЧ оставался узкополосным.
Достоинствами УПЧ с одинаково настроенными каскадами являются: • простота настройки; • слабое влияние на форму АЧХ усилителя случайных расстроек отдельных каскадов. К недостаткам относятся: • большое значение коэффициента прямоугольности (не менее 3); • сравнительно небольшой коэффициент усиления при заданной полосе пропускания. Поэтому в тех случаях, когда нужно обеспечить более высокую степень прямоугольности АЧХ и больший коэффициент усиления, используют другие варианты построения УПЧ. К ним относятся: • УПЧ с попарно расстроенными контурами; • УПЧ на каскадах со связанными контурами; • УПЧ с одиночными контурами, настроенными на три различные частоты.
Принцип работы Сигнал промежуточной частоты поступает с выхода тюнера на вход усилителя промежуточной частоты. Оба этих функциональных блока чаще всего собираются в единый узел или располагаются рядом друг с другом. Несущая изображения после смесителя имеет частоту 38, 9 МГц, а каналы стереозвука — 33, 16 и 33, 4 МГц соответственно.
В мономагнитофонах звуковая несущая имеет частоту 33, 4 МГц. На рис. 7. 2 представлена блок-схема усилителя промежуточной частоты.
Рис. 7. 2. Блок-схема усилителя промежуточной частоты
Его усиление по напряжению составляет 4000— 10000 и регулируется сигналом АРУ (автоматическая регулировка усиления) таким образом, чтобы при различных уровнях принимаемого сигнала амплитуда несущих на входе демодулятора оставалась практически неизменной. После усиления производится демодуляция сигнала промежуточной частоты, в результате чего получается ПЦТС (полный цветной телевизионный сигнал) и частотно модулированный звуковой сигнал с двумя поднесущими 5, 5 и 5, 74 МГц при стереоприеме и 5, 5 МГц при моноприеме. После дальнейшего усиления ЧМ-звуковой сигнал снова демодулируется для получения низкочастотного звукового сигнала.
Обработка сигналов промежуточной частоты Окончательное формирование аналоговых видео- и звуковых сигналов перед их цифровой обработкой происходит в тракте промежуточной частоты. Здесь производится частотная селекция, усиление сигналов промежуточной частоты, демодуляция и предварительное усиление демодулированных сигналов. Тракт обработки сигналов промежуточной частоты современного телевизора согласно структурной схеме рис. 4. 1 включает в себя входное устройство, усилитель промежуточной частоты изображения с демодулятором, усилитель промежуточной частоты звукового сопровождения с демодулятором, а также управляемые по шине PC цифроаналоговые преобразователи для настройки частотных характеристик УПЧИ и УПЧЗ на различные стандарты телевидения. Отдельный тракт усиления промежуточной частоты звукового сопровождения называется квазипараллельным каналом звука.
Рис. 4. 1. Структурная схема канала обработки сигналов ПЧ
УПЧ также является основным узлом современного радиоприёмника. Он обеспечивает основное усиление приемника, его полосу пропускания и частотно-избирательные свойства. Эксплуатационные свойства радиоприёмного устройства существенно зависят от свойств его УПЧ. Полная оценка УПЧ может быть выполнена только при совместном учете комплекса его качественных показателей, основными из которых являются: • номинальная промежуточная частота; • степень усиления полезного сигнала; • полоса пропускания частот; • частотная избирательность; • стационарность качественных показателей.
Источник: present5.com
УПЧ в приемниках.
Усилители промежуточной частоты (УПЧ) в супергетеродинных приемниках служат для усиления сигналов промежуточной частоты (ПЧ), поступающие от преобразователя частоты (Прч), и обеспечивают избирательность по соседнему каналу. Для достижения большого усиления УПЧ они выполняются многокаскадными с постоянной ПЧ с применением двух- и многоконтурными избирательными системами с малым коэффициентом прямоугольности и ослабляют сигналы соседних каналов даже при небольших расстройках.
В УПЧ радиовещательных приемников доля полосы пропускания около 5 -7 % промежуточной частоты и поэтому избирательные системы выполняют узкополосными.
Усилители ПЧ различают по следующим видам:
1) с распределенной избирательностью (рис.1а):
а) одноконтурные резонансные, где в каждом каскаде усиления находятся по одному колебательному контуру ФП, которые настроены на одну промежуточную частоту;
б) одноконтурные расстроенные у которых в пределах полосы пропускания каскады настроены на различные частоты;
в) с двумя связанными контурами в каждом каскаде;
2) с фильтрами сосредоточенной селекции ФСС (рис.1б) (то же, что и фильтры сосредоточенной избирательности ФСИ), где в каждом каскаде содержится три и более связанных колебательных контура.
Одноконтурные настроенные УПЧ.
Простейшим типом УПЧ является каскад усилитель с одним настроенным контуром.Такой усилитель обычно применяется в простейших приемниках, где требуемая полоса пропускания не превышает 2 ÷ 3 МГц. В супергетеродинных приемниках большая часть усиления сигнала приходится на тракт ПЧ и поэтому имеют несколько каскадов УПЧ.
Единичные каскады, которые содержат резонансные контура, подключаются с активному элементу (транзисторы, микросхемы) с помощью трансформаторной или автотрансформаторной связью . В радиовещательных приёмниках используется в основном трансформаторная связь.
На рис.2а показан УПЧ, состоящий из двух блоков одноконтурных усилителей настроенных на промежуточную частоту. Если в усилителе последовательно включены несколько каскадов, то его результирующий коэффициент усиления (Кобщ) будет увеличиваться (рис.2б) и равен произведению коэффициентов усиления каскадов:
Кобщ = К1·К2 . Кn,
где n — количество каскадов.
А общая полоса пропускания (2∆fобщ) с увеличением количества каскадов уменьшается и приближенно эту зависимость можно выразить отношением:
2∆fобщ = 2∆f /(1,2√n),
где 2∆f — полоса пропускания одного каскада;
2∆fобщ — полоса пропускания n-каскадного усилителя.
Одноконтурный усилитель, по сравнению с полосовым, обладает тем преимуществом в том, что дает большее усиление, но избирательность и равномерность усиления боковых частот у него меньше. Поэтому он применяется в простых приемниках с малочувствительной антенной (штыревой, рамочной, ферритовой), где нужно большое усиление.
Одноконтурные расстроенные УПЧ.
Трудность получения большого усиления при заданной избирательности обусловливает необходимость максимально эффективного использования одиночного каскада.
Чтобы улучшить параметры УПЧ применяют схему с одиночными взаимно расстроенными контурами. Для этого в двухкаскадном усилителе (рис.3) расстраивают, относительно промежуточной частоты (fo = fпр), первый контур L1C1 на частоту f1 = fo — ∆fо, а второй L2C2 — на f2 = fo + ∆fо. Образуется симметрично расстроенная пара каскадов или просто — «расстроенная двойка». Еще такой усилитель называют асинхронным.
Каждый каскад усиливает сигнал в определенной полосе частот относительно промежуточной частоты fo (рис.4а). При одинаковых коэффициентах усиления каскадов и малых начальных растройках обобщенная кривая избирательности сохраняется одногорбой. Но с увеличением начальной расстройки крутизна ее боковых ветвей увеличивается, что способствует уменьшению коэффициента прямоугольности и улучшению избирательных свойств. Когда начальная растройка превышает критическую, в средней части кривой избирательности получается провал. Чем больше начальная расстройка, тем больше глубина и боковых скатов общей кривой.
Для того, чтобы убрать «двугорбность» добавляют третий каскад усиления с резонансным контуром меньшей добротностью, чем два остальных. Получается «расстроенная тройка». В этом случае результирующая характеристика (рис.4б) образуется путем суммирования характеристик трех контуров, один из которых настроен на промежуточную частоту ( кривая 3), а два других (1 и 2 кривые) — на частоты, лежащие симметрично ниже и выше этой кривой. В результате получается характеристика с плоской вершиной и с большей избирательностью.
УПЧ с двумя связанными контурами.
Наиболее часто связь между колебательными контурами в УПЧ с двумя связанными контурами выбирается трансформаторной (рис.5а) или внешнеемкостной (рис.5б), поскольку эти виды связи наиболее просты в осуществлении и позволяют выбирать нужный коэффициент связи М.
В первой (рис.5а) из рассматриваемых схем энергия из первого контура L1C1 передается на второй (L2C2) посредством взаимной индукции М. Оба контура настроены на частоту fo = fпр. В результате взаимной связи между контурами каждый из них воздействует на другой, перестраивает и вносит затухание. Напряжение на выходе контура зависит не только от частоты, как при одиночном резонансном контуре, но также от степени связи контуров. Количественной мерой связи контуров является коэффициент связи, который для контуров, связанных взаимной индуктивностью М, выражается зависимостью:
k = М/√L1L2,
где М — взаимная индукция;
L1, L2 — индуктивности контуров.
С увеличением коэффициента связи вершина характеристики становится более плоской и при его определенном значении, называемом оптимальным, становится максимально плоской. Оптимальное значение коэффициента связи зависит от добротности первого и второго контуров и для равных добротностей Q1 = Q2 = Q выражается формулой
kопт = 1/Q.
Увеличение связи свыше оптимального значения вызывает уменьшение выходного напряжения на резонансной частоте fo и возникновение выше и ниже этой частоты «горбов» характеристики.
На рис.6 показан вид частотных характеристик усилителя с двухзвенным контуром для случая одинаковых добротностей контуров и разных коэффициентов связи.
При k/kопт = 1 кривая максимально плоская и коэффициент усиления Кu на частоте fo наибольший. Для значений k/kопт > 1 кривые становятся двугорбыми. Чем сильнее связь, тем больше удаление «горбов» от fo.
Отсюда делаем вывод, что форма резонансной кривой зависит от параметра связи контуров и изменяя эту связь можно регулировать ширину полосу пропускания УПЧ. При наличии помех ее можно уменьшить, тем самым повысить избирательность по соседнему каналу. При отсутствии помех — расширить полосу пропускания и снизить частотные искажения.
УПЧ с фильтрами сосредоточенной селекции (ФСС).
В профессиональных связных и радиолюбительских приемниках для дальней связи при полосе пропускания 7 — 9 кГц требуется иметь ослабление при расстройке 10 кГц не менее 70 -80 дБ ( в 3100 — 10 000 раз). Такое ослабление не может обеспечить 4 -5 каскадные усилители с двумя связанными контурами. Достигнуть лучшего ослабления по соседнему каналу возможно, применяя многозвенные фильтры.
Схема четырехзвенного фильтра с одиночными колебательными контурами с емкостной связью приведена на рис.7. Для ослабления магнитных связей между контурными катушками (с целью уменьшения расстояния между контурами) каждый контур помещен в свой экран. Такие фильтры позволяют иметь в одном каскаде много резонансных контуров, поэтому их называют фильтрами сосредоточенной селекции ФСС или избирательности — ФСИ. Они отличаются от полосовых фильтров, где контура рассредоточены в различных каскадах.
При общепринятой в радиовещательных приемниках fпр = 465 кГц с полосой пропускания 7 — 9 кГц и хорошей избирательностью по зеркальному каналу можно обеспеспечить фильтрами (рис.8) с пьезоэлектрическими резонаторами типа ПФ1П. Здесь резонаторы изображены как конденсаторы с твердым диэлектриком, каковыми они являются по своему конструктивному выполнению. Они выполняются в виде тонких дисков из специального материала, обладающие пьезоэлектрическим эффектом. Все резонаторы фильтра помещаются в общем корпусе, габариты которого гораздо меньше, чем у многоконтурных ФСС с тем же числом звеньев.
Резонаторы 1, 2, 3 и 4 адекватны колебательным контурам в фильтре на рис.7. Резонаторы 5, 6, 7 и 8 выполняют в фильтре роль связывающих элементов между резонаторами первой группы. Под воздействием переменного электрического напряжения в резонаторах возникают механические колебания.
Размеры резонаторов выбирают так, чтобы резонанс наступал при fпр приемника. На входе при подаче электрического сигнала на пьезоэлектрический резонатор 5 в нем возникают механические колебания, которые воспринимаются резонатором 1 и создают на своих обкладках, благодаря обратному пьезоэлектрическому эффекту, переменную э.д.с. Такой процесс происходит по всей цепочке резонаторов и на резонаторе 4 снимается выходное напряжение нужной частоты.
Чтобы паразитная частота гетеродина не поступала на вход фильтра в коллекторную цепь УПЧ включается колебательный контур LC, который должен создавать ослабление более 20 — 25 дБ, что вместе с ФСС дает общее ослабление более 55 — 60 дБ.
Источник: radio-samodel.ru