Розробка транзисторного підсилювача проміжної частоти радіолокаційного сигналу

РОЗРОБКА ТРАНЗИСТОРНОГО ППЧ РЛС

1. Аналіз елементної бази та вибір елементів принципової схеми

Підсилювач проміжної частоти виконує головне підсилення та вибірність. Резонансні підсилювачі працюють на фіксованих частотах та забезпечують підсилення сигналів до рівня, необхідного для ефективної роботи детектора, а також виконують головну частотну вибірність по відношенню до корисних сигналів.

Резонансний підсилювач в загальному випадку складається з декількох послідовно включених каскадів. Головними елементами, які входять до складу каскадів, є підсилювальні пристрої та смугові фільтри. Підсилювальні пристрої призначені для перетворення енергії джерела живлення в енергію коливань, що підсилюються. Смугові фільтри є резонансним навантаженням підсилювального пристрою. Вони забезпечують потрібну частотну вибірковість та смугу пропускання підсилювального тракту приймачах станцій виявлення смуги пропускання резонансного контуру

(1)

Головним типом сучасних резонансних підсилювачів є підсилювачі на інтегральних мікросхемах, які містять, як правило, складові транзистори. За способом включення підсилювальних пристроїв резонансні підсилювачі можуть бути :

- із загальним емітером (витоком, катодом);

- із загальною базою (затвором, сіткою);

- із загальним колектором (стоком, анодом);

- із каскадним включенням підсилювальних пристроїв.

Каскад із загальним емітером є найбільш використовуємим, тому що він забезпечує найбільше підсилення сигналів по потужності та має великий вхідний опір.

Каскад із загальною базою має високу стабільність та малі нелінійні спотворення, малий вхідний та великий вихідний опір, він підсилює по напрузі та не підсилює по потужності.

Каскади із загальним колектором можуть використовуватись для спряження кіл із різними вхідними та вихідними опорами.

При каскадному включенні покращуються внутрішні параметри в зрівнянні з параметрами кожного підсилювального пристрою.

За способом забезпечення частотної вибірковості розрізняють резонансні підсилювачі з розподіленою та зосередженою вибірковістю.

У підсилювачах із розподіленою по каскадам вибірковістю, функції вибірковості та підсилення суміщені та, звичайно, рівномірно розподілені між однотипними каскадами або їх групами.

При цьому найбільш широко використовуються однотипні підсилювальні пристрої та одноконтурні однакові смугові фільтри, а також двухконтурні фільтри в каскадах .

Головною перевагою рівномірного розподілення підсилення та вибірковості є найбільш повна реалізація потенціальних можливостей підсилювальних пристроїв.

У сучасний час находять все більше використання резонансні підсилювачі із зосередженою вибірністю. У них функції підсилення та вибірності розділені. Один із каскадів має складний смуговий фільтр, який формує потрібну частотну характеристику всього резонансного тракту.

Ці фільтри зосередженої вибірності використовують в приймачах, де підвищені вимоги до вибірності.

Ці підсилювачі відрізняються простотою конструкції та настройки, доброю стабільністю форми резонансної кривої.

Проаналізувавши існуючий блок ППЧ , можна зробити висновок, що всі алгоритми, які виконують елементи першого покоління (електровакуумні пристрої), можна реалізувати на новій елементній базі: як на транзисторах, так і на інтегральних мікросхемах. При цьому елементна база має більш кращі електричні й експлуатаційні параметри.

На сучасному етапі отримала широке розповсюдження побудова, радіоелектронної техніки на інтегральних мікросхемах, так як транзистори, хоч ще й використовуються, але вже відходять у минуле. Інтегральні мікросхеми перемагають попередню елементну базу за своїми габаритами, масою, надійністю, економічністю та вартістю.

З точки зору мінімізації вартості пристрою, часу розробки, маси та габаритів пристрою, найбільш ефективна реалізація підсилювального тракту цілком на одній великій інтегральній схемі. Але при цьому розробник зустрічається з необхідністю використовувати структурну схему та ідеологію побудови приймача, яка була закладена проектувальником великої інтегральної схеми. Звичайно, такі монолітні великі інтегральні мікросхеми виготовляються тільки для масової продукції ,яка має середні електричні характеристики. Компромісним рішенням є використання спеціалізованої гібридної великої інтегральної схеми підсилювального тракту. Така влеика інтегральна мікросхема виготовляється на підприємстві - розробнику приймальних пристроїв та може мати параметри, та ідеологію побудови, найбільш близькі до вимог на розробляємий приймальний пристрій при доступній вартості, малої маси та габаритах.

По мірі зменшення степені інтеграції використаних великих інтегральних схем та інтегральних схем завдання реалізації вибраної структурної схеми та високих електричних характеристик полегшуються, але такі показники якості, як маса, габарити при цьому стає гірше.

При виборі типу ІС малої та середньої степені інтеграції для підсилювального тракту будемо користуватись наступними думками.

При виборі ІС для ППЧ враховують динамічний діапазон та частотний діапазон роботи схеми, а також коефіцієнт регулювання підсилення при наявності АРП. Сучасні ІС мають відносно малі нелінійні спотворення та високі граничні частоти підсилення.

Знаючи робочу частоту РЛС, проміжну частоту, смугу пропускання, коефіцієнт підсилення ПЧ, ППЧ та користуючись вищевказаними умовами, вибираємо підсилювальний пристрій -транзистор.

Параметри засобів частотної фільтрації, використаних в приймальних пристроях 3 і 4-го покоління, по окремим показниками суттєво переважають параметри традиційних LC-фільтрів. І в той же час завдання стоврення фільтру, сумісного з мікроелектронною технологією та повністю замінюючого LC-фільтри, на сьогоднішній день ще не вирішено.

Підсилювачі проміжнжої частоти (ППЧ), які використовуються в радіоприймальних пристроях РЛС за величиною відносної ширини смуги пропускання поділяють на вузькосмугові та широкосмугові.

За характером розподілу вибірності в каскадах ППЧ розрізняють вибрні підсилювачі с розподіленою та зосередженою вибірністю. В ППЧ з розподіленою вибірністю функції підсилення і вибірності забезпечуються в кожному каскаді. За числом резонансних контурів підсилювачі розрізняють на одноконтурні та двохконтурні. В одноконтурних підсилювачах усі контури можуть бути настроєні на номінальну проміжну частоту (настроєні ППЧ) або можуть мати відповідну розстройку (ППЧ з парами чи трійками розстроєних каскадів). В двохконтурних підсилювачах застосовуються смугові фільтри, які образовані системою звязаних контурів.

Необхідна вибрність в ППЧ з зосередженою вибірністю відтворюється звичайно системою з декількох LC - фільтрів, які включають або одразу після перетворювача частоти або після першого каскаду ППЧ. Часто в якості фільтру зосередженої селекції використовують електромеханічні, пєзокерамічні, кварцові і т. п. Необхідне підсилення в ППЧ забезпечується каскадами, які розташовані за фільтром зосередженої селекції. Це або одноконтурні селективні підсилювачі з невеликою вибірністю або аперіодині підсилювачі.

За способом включення електронних пристроїв ППЧ поділяють на підсилювачі з загальним емітером та ППЧ з каскодним включенням транзисторів. Широко використовуються ППЧ на інтегральних схемах.

2. Порядок розрахунку підсилювача проміжної частоти

Для розрахунку ППЧ необхідно визначити наступні вихідні дані:

1. Номінальне значення проміжної частоти, f_пр.

2. Смугу пропускання підсилювача на рівні 3 дБ, П.

3. Необхідний коефіцієнт підсилення ППЧ К.

4. Необхідну вибірність по сусідньому каналу _с.

5. Задану розстройку f_c сусіднього каналу прийому.

6. Власне затухання контурів d_k.

Смугу пропускання ППЧ (приймача) П, номінальне значення проміжної частоти f_пр і власне затухання контурів ППЧ d_k отримують з попереднього розрахунку приймача.

Коефіцієнт підсилення К , який повинен забезпечувати ППЧ, визначається наступним чином:

(2)

або (3)

де К_прн - необхідний коефіцієнт лінійної частини приймача (до детектору), який отримують із попереднього розрхунку;

К_рвк , К_{р прч} ,К_рпч - коефіцієнти передачі за потужністю вхідного кола, підсилювача радіочастоти і перетворювача частоти відповідно; їх визначають при розрахунку окремих каскадів;

К_вк , К_прч , К_пч - коефіцієнти передачі за напругою вхідного

кола, підсилювача радіочастоти і перетворювача частоти.

При розрахунках малосигнальних схем радіоприймальних пристроїв на інтегральних схемах або транзисторах останні заміщуються, як правило, активними лінійними чотириполюсниками. В якості системи характеристичних параметрів таких чотириполюсників прийнята система У - параметрів, яка використовується при розрахунку ППЧ та інших каскадів приймачів на частотах, які не перевищують 500...700 МГц .

При виборі схеми підсилювача необхідно керуватися наступним.

Якщо вимоги до вибірності не задані, то доцільно застосовувати ППЧ з настроєними контурами. Ці підсилювачі відрізняються простотою конструкції і настроювання, доброю стабільністю форми резонансної кривої.

В якості резонансних систем в підсилювачах проміжної частоти застосовуються фільтри різноманітних типів і конструкцій: електромеханічні, кварцові, пєзокерамічні, фільтри на поверхневих акустичних хвилях, активні фільтри, фільтри з перемикаючимися ємностями, LC - фільтри.

Перші чотири типи фільтру іноді обєднують під загальною назвою електромеханічні фільтри, а перший тип - під назвою механічні фільтри.

Застосовуються електромеханічні фільтри від 200 Гц до 600 кГц, причому на частотах нижче 2 кГц використовуються тільки електромеханічні камертонні фільтри. Активні фільтри і фільтри з перемикаючимися ємностями застосовуються до 1 МГц, забезпечуючи при цьому достатньо широкі смуги пропускання (особливо на частотах вище 200 кГц). Оскільки області застосування декількох типів фільтрів перекриваються, необхідно враховувати інші характеристики, наприклад вартість, витрати на розробку, внутрішні втрати, необхідність зовнішнього генератора, динамічний діапазон, надійність, габарити, стабільність і т. п.

Фільтри з перемикаючимися ємностями мають менші габарити в порівнянні з електромеханічними фільтрами, але, велику вартість, порівнянно невеликий динамічний діапазон, необхідність джерела живлення і тактового генератору.

Для активних фільтрів необхідне джерело живлення, но вони мають кращий динамічний діапазон в порівнянні з пєзоелектричними фільтрами. Активні фільтри за своїми габаритами рівні електромеханічним, але менш стабільні.

В галузях, де застосовуються і електромеханічні і LC - фіьтри, останні мають менші габарити і меншу стабільність. До переваг LC - фільтрів необхідно віднести простоту розрахунку, їх виробництво не потребує спеціального обладнання. Електромеханічні фільтри в порівнянні з кварцевими більш дешеві, але мають гірші характеристики.

Пєзокерамічні фільтри з відносною шириною смуги пропускання порядку 0,01 забезпечують більше придушення в смузі загородження (за смугою пропускання) в порівнянні з електромеханічними фільтрами, однак розробка пєзокерамічних фільтрів з вузькою смугою пропускання достатньо дорога. Багатоелементні пєзокерамічні фільтри коштують не менше, ніж багаторезонаторні електромеханічні фільтри, однак прості пєзокермічні фільтри коштують значно менше.

Коли розраховуємий підсилювач проміжної частоти має спеціальні каскади (наприклад, лінійний каскад, каскад з навантаженням у вигляді фільтра зосередженої селекції і т. д.), іх розрахунок проводиться окремо . Отримані значення коефіцієнтів підсилення таких каскадів враховуються при уточненні необхідного коефіцієнта підсилення каскадів типової схеми. При розрахунку попереднього і кінцевого каскадів ППЧ доцільно враховувати вихідні провідність g_{22 п} і ємність С_{22 п} перетворювача частоти і вхідні провідність g_{11 вх} і ємність С_{11 вх} наступного за ППЧ каскаду. Ці особливості розрахунку попереднього і кінцевого каскадів ППЧ при виконанні учбового проектування не враховують. Однак слід мати на увазі, що врахування цих особливостей при розрахунку каскадів підсилювача проміжної частоти приведе до незначного зменшення загального коефіцієнта підсилення ППЧ.

3. Методика розрахунку одноконтурного настроєного ППЧ

Одноконтурні підсилювачі проміжної частоти доцільно застосовувати у випадках, коли до вибірності приймача за сусіднім каналом не висуваються високі вимоги. Розрахунок одноконтурного настроєного ППЧ проводиться в наступній послідовності .

1.Вибрають тип мікросхеми чи транзистору, його режим роботи за постійним струмом (І_{к ,} U_ке) і визначають параметри на резонансній (проміжній) частоті f_п .

2.Задавшись кількістю каскадів (контурів) n ППЧ і виходячи з необхідної смуги пропускання П_п і вибірності за сусіднім каналом _с , визначити необхідне еквівалентне послаблення в коливальних контурах із співвідношення

(4)

Де

(5)

m - еквівалентне затухання коливальних контурів, що забезпечує задану селективність за сусіднім каналом;

(6)

- еквівалентне затухання контурів ППЧ, яке забезпечує задану смугу пропускання;

 (7)

- функція числа каскадів (контурів) одноконтурного ППЧ,що задається таблично.

У випадку ускладнення виконання нерівності (4) необхідно поміняти число каскадів або вибрати інший тип ППЧ.

З метою спрощення конструкції коливальних контурів ППЧ необхідно вибрати коефіцієнт трансформації m₁=1 і з урахуванням умови забезпечення максимального коефіцієнту підсилення визначити оптимальну еквівалентну ємність коливального контуру із співвідношення

(8)

Розрахувати власну ємність коливального контуру С_к і його індуктивність L за формулами

(9)

(10)

де С_м - розподілена ємність монтажу.

Розраховані величини індуктивностей катушок коливальних контурів L повинні бути не менші за мінімальні конструктивно виконуємих значень. Значення L_мін в межах кожного частотного інтервалу інтерполюються лінійно.

4. Розрахувати коефіцієнт трансформації за формулою

 (11)

де g₂₂ і g₁₁ - вихідна провідність розраховуємого і вихідна провідність наступного каскадів відповідно.

5. З урахуванням умов забезпечення заданої смуги пропускання і вибірності розраховувати резонансний коефіцієнт підсилення каскаду за формулою

(12)

6. Розрахувати коефіцієнт стійкого підсилення каскаду за формулою

(13)

7.Порівняти коефіцієнти підсилення (12) і (13). підсилювач є стійким при виконанні умови

(14)

при невиконанні умови (14) необхідно вжити заходи по підвищенню стійкості підсилювача.

Якщо співвідношення К₀₁/K_у<2, доцільно застосувати пасивний спосіб підвищення стійкості, який засновується в зменшенні резонансного коефіцієнту підсилення до стійкого.

Цього можна досягнути шляхом вибору коефіцієнтів трансформації m₁ і m₂ із умов забезпечення коефіцієнту стійкого підсилення, заданої смуги пропускання і вибірності за формулами

(15)

(16)

К₀₁ и К_у - коефіцієнти підсилення, розраховані з формул (12) та (13);

- характеристичний опір коливального контуру.

Резонансний коефіцієнт підсилення каскаду при цьому буде дорівнювати стійкому коефіцієнту, розрахованому по формулі (11).

Якщо співвідношення К₀₁/K_у>2, доцільно використовувати каскодне включення транзисторів ЗЕ-ЗБ. В тих випадках, коли підсилювач, побудований за каскодною схемою, виявиться нестійким, необхідно коефіцієти трансформації розрахувати з формул (15) та (16), підставляючи в них параметри составного транзистору.

7. Вирішивши питання по стійкості підсилювача, розрахувати загальний коефіцієнт підсилення ППЧ за формулою

(17)

і порівняти його з необхідним значенням К_{оп н.}

При виконанні умови К_оп>K_{оп н}

Підсилювач забезпечує необхідне підсилення. При невиконанні умови (17) необхідно збільшити число каскадів n і провести розрахунок знову.

4 Розрахунок підсилювача проміжної частоти з фільтром зосередженої вибірковості

Підсилювачі проміжної частоти з фільтром зосередженої вибірковості застосовуються в таких випадках, коли необхідно забезпечити високу вибірковість ППЧ при невеликому числі каскадів. У радіоприймальних пристроях ФЗВ, як правило, ставитися на виході перетворювача частоти або в першому каскаді ППЧ. У якості ФЗВ. Застосовуються звичайно зв'язаних коливальних LС -контурівах, характеристичний опір яких погоджено з вихідним опором мікросхеми (транзистора), що передує ФЗВ, і про вхідний Опір наступного каскадові. Функціональні схеми ППЧ із ФЗВ представлені на рис.

Рис. 1 Функціональні схеми ППЧ із ФЗВ:

а - ФЗВ включено на виході перетворювача Частоти;

б - ФЗВ є навантаженням 1-го каскаду ППЧ

Результуюча частотна характеристика ППЧ визначається частотною характеристикою ФЗВ, а необхідне посилення здійснюється широкополосными резонансними каскадами. Тому що зі збільшенням числа контурів фільтра посилення каскаду з ФЗВ зменшується, те число контурів ФЗВ звичайно не перевищує шести - восьми. Принципова схема каскаду з ФЗВ, що виконаний у виді комбінації декількох зв'язаних коливальних контурів із внешнеемкостной зв'язком.

Крім фільтрів такого виду застосовуються електромеханічні И п'єзоелектричні ФЗВ, що дозволяють забезпечити ще більш високу вибірковість.

Підсилювачі проміжної частоти з ФЗВ, що складаються З коливальних контурів, як правило, необхідно розраховувати для кожного конкретного типу ППЧ. Вихідними даними для розрахунку ППЧ із ФЗВ є номінальна частота настроювання ФЗВ fn , необхідна смуга пропущення УПЧ , вибірковість УПЧ по сусідньому каналі бс при заданий ний розбудуйте f_c , власне загасання контурів ФЗВ d_k характеристичний опір фільтра р (вибирається р=10...50 кому).