ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ ПРОМЕЖУТОЧНОЙ ЧАСТОТЫ Российский патент 2008 года по МПК H03F3/189 

Изобретение относится к радиотехнике, а именно к усилителям. Предназначено, в частности, для использования в качестве предварительного усилителя промежуточной частоты и в преобразователях частоты, содержащих двойные балансные смесители радиоприемных устройств с фазовым подавлением частот зеркального канала.

Известно авторское свидетельство СССР №1734190, Кл. H03F 3/60, 1989 г. В усилителе по патенту США №3624536, Кл. 330-102, 1971 г. с помощью цепей отрицательной обратной связи с малыми потерями решаются задачи увеличения максимальной линейной входной мощности и обеспечения заданного значения входного сопротивления усилителя. Благодаря малым потерям цепей отрицательной обратной связи обеспечивается незначительное увеличение значения коэффициента шума усилителя. В усилителе по авторскому свидетельству СССР №1224960, Кл. H03F 1/34, 1984 г. обеспечивается более широкая полоса пропускания, а значение входного сопротивления повторяет значение сопротивления его нагрузки. К предварительным усилителям промежуточной частоты предъявляются, в частности, требования обеспечения минимально возможных значений коэффициента шума, требуемого динамического диапазона в рабочей полосе частот. Динамический диапазон, как известно, определяется отношением максимальной линейной входной мощности предварительного усилителя промежуточной частоты к значению его коэффициента шума. Меньшее значение коэффициента шума, как правило, имеют маломощные транзисторы. Максимальная линейная выходная мощность двойного балансного смесителя обычно значительно превышает максимальную линейную входную мощность малошумящего маломощного транзистора предварительного усилителя промежуточной частоты, что приводит к тому, что предварительный усилитель промежуточной частоты не позволяет полностью реализовать динамический диапазон двойного балансного смесителя. Таким образом, для реализации динамического диапазона двойного балансного смесителя в преобразователе частоты, необходимо увеличить максимальную линейную входную мощность предварительного усилителя промежуточной частоты, по крайней мере, до уровня максимальной линейной выходной мощности двойного балансного смесителя. В двойных балансных смесителях радиоприемных устройств с фазовым подавлением частот зеркального канала, с целью обеспечения широкополосности и малых потерь, используются фазовые контуры, для функционирования которых требуется, чтобы сопротивление их нагрузки, т.е. входное сопротивление предварительного усилителя промежуточной частоты, было с достаточной степенью точности равно заданному и не зависело ни от сопротивления нагрузки предварительного усилителя промежуточной частоты, ни от действия дестабилизирующих факторов. Значение входного сопротивления широкополосного усилителя указанного второго аналога с высокой точностью повторяет значение сопротивления его нагрузки, и, кроме того, включенные в цепь обратной связи индуктивности рассеяния трансформаторы ограничивают глубину обратной связи усилителя, увеличивают неравномерность амплитудно-частотной характеристики усилителя на границах полосы рабочих частот, сужают полосу рабочих частот. Ограничение глубины обратной связи усилителя приводит к ограничению возможности увеличения максимальной линейной входной мощности усилителя.

Задачей, на решение которой направленно изобретение, является расширение арсенала технических средств указанного назначения, а именно создание предварительного усилителя промежуточной частоты с высокими эксплуатационными характеристиками.

Техническими результатами при реализации изобретения являются, в частности, обеспечение практически независимости значения входного сопротивления предварительного усилителя промежуточной частоты от значения сопротивления нагрузки и от действия дестабилизирующих факторов, расширение полосы рабочих частот, увеличение максимальной линейной входной мощности при одновременной реализации низкого значения коэффициента шума усилителя, уменьшение количества таких элементов схемы, как трансформаторы, и упрощение их конструкции.

На достижение указанного технического результата оказывают влияние следующие признаки, которые являются отличительными признаками изобретения. В предварительном усилителе промежуточной частоты первый вывод первого конденсатора является входом предварительного усилителя промежуточной частоты, второй вывод восьмого конденсатора является выходом предварительного усилителя промежуточной частоты, второй вывод шестого резистора соединен с первым выводом девятого резистора и с первым выводом девятого конденсатора и с положительной клеммой источника питания, второй вывод второго резистора и второй вывод восьмого резистора и второй вывод одиннадцатого резистора и второй вывод второго конденсатора и второй вывод третьего конденсатора и второй вывод пятого конденсатора и второй вывод девятого конденсатора и минусовая клемма источника питания подключены к корпусу, второй вывод первого конденсатора соединен с первым выводом первого резистора и с первым выводом второй обмотки трансформатора, второй вывод второй обмотки трансформатора соединен с выводом базы первого транзистора, первый вывод первой обмотки трансформатора соединен с первым выводом второго конденсатора, второй вывод первой обмотки трансформатора соединен с вторым выводом десятого резистора и с вторым выводом четвертого конденсатора и с первым выводом одиннадцатого резистора, второй вывод первого резистора соединен с первым выводом восьмого резистора и с первым выводом седьмого резистора и с первым выводом шестого конденсатора, второй вывод шестого конденсатора и второй вывод седьмого резистора соединены с первым выводом десятого резистора и с первым выводом двенадцатого резистора и с первым выводом седьмого конденсатора и с выводом эмиттера второго транзистора, первый вывод восьмого конденсатора соединен со вторым выводом седьмого конденсатора и со вторым выводом двенадцатого резистора, первый вывод второго резистора и первый вывод третьего конденсатора соединены с выводами эмиттера первого транзистора, первый вывод третьего резистора соединен со вторым выводом дросселя, первый вывод четвертого и первый вывод пятого резистора соединены с первым выводом дросселя и с выводом коллектора первого транзистора, второй вывод четвертого резистора соединен с первым выводом четвертого конденсатора, второй вывод третьего резистора соединен с первым выводом пятого конденсатора и с первым выводом шестого резистора, второй вывод девятого резистора соединен с выводом коллектора второго транзистора, второй вывод пятого резистора соединен с базой второго транзистора.

На чертеже приведена схема предварительного усилителя промежуточной частоты.

Предварительный усилитель промежуточной частоты выполнен на транзисторах по схеме общий эмиттер - общий коллектор. Первый транзистор 1 является малошумящим, маломощным. Второй транзистор 2 является транзистором средней мощности, позволяющим обеспечить заданную выходную мощность усилителя. Благодаря высокому значению коэффициента передачи сигнала с первого транзистора 1 влияние коэффициента шума второго транзистора 2 на коэффициент шума всего усилителя незначительно. Десятый резистор 3, одиннадцатый резистор 4 и их соединение образует цепь, которая является внутренней нагрузкой усилителя. В схеме предусмотрено наличие двенадцатого резистора 5 и первого резистора 6, трансформатора 7, дросселя 8, третьего резистора 9, седьмого конденсатора 10, четвертого резистора 11. Цепь состоящая из дросселя 8 и резистора 9 является коллекторной нагрузкой транзистора 1. Четвертый конденсатор 12 и резистор 11 образуют цепь, которая уменьшает неравномерность амплитудно-частотной характеристики усилителя в верхней части диапазона рабочих частот, вызванную влиянием индуктивности рассеяния трансформатора 7. Конденсатор 10 уменьшает коэффициент стоячей волны по напряжению выхода широкополосного усилителя в верхней части диапазона рабочих частот. В схему входят восьмой резистор 13, седьмой резистор 14, пятый резистор 15, второй резистор 16, шестой резистор 17, девятый резистор 18, третий конденсатор 19, пятый конденсатор 20, второй конденсатор 21, девятый конденсатор 22, шестой конденсатор 23, первый конденсатор 24, восьмой конденсатор 25. Резисторы 15 и 18 повышают устойчивость усилителя. Резисторы 3, 4, 9, 13, 14, 16, 17 определяют режимы работы транзисторов по постоянному току. Конденсаторы 19, 20, 21, 22, 23 - блокировочные. Конденсаторы 24, 25 - разделительные. В предварительном усилителе промежуточной частоты первый вывод первого конденсатора 24 является входом предварительного усилителя промежуточной частоты, а второй вывод восьмого конденсатора 25 является выходом предварительного усилителя промежуточной частоты, второй вывод шестого резистора 17 соединен с первыми выводами девятого резистора 18 и девятого конденсатора 22 и с положительной клеммой источника питания предварительного усилителя промежуточной частоты, вторые выводы второго резистора 16, восьмого резистора 13, одиннадцатого резистора 4 и вторые выводы второго конденсатора 21, третьего конденсатора 19, пятого конденсатора 20, девятого конденсатора 22 и минусовая клемма источника питания, а также вторые клеммы входа и выхода подключены к корпусу предварительного усилителя промежуточной частоты. Второй вывод первого конденсатора 1 соединен с первым выводом первого резистора 6 и с первым выводом второй обмотки трансформатора 7, второй вывод второй обмотки трансформатора 7 соединен с выводом базы первого транзистора 1, первый вывод первой обмотки трансформатора 7 соединен с первым выводом второго конденсатора 21, второй вывод первой обмотки трансформатора 7 соединен со вторым выводом десятого резистора 3 и вторым выводом четвертого конденсатора 12 и с первым выводом одиннадцатого резистора 4, второй вывод первого резистора 6 соединен с первым выводом восьмого резистора 13, с первым выводом седьмого резистора 10 и с первым выводом шестого конденсатора 23. Второй вывод шестого конденсатора 23 и второй вывод седьмого резистора 14 соединены с первым выводом десятого резистора 3, с первым выводом двенадцатого резистора 5, с первым выводом седьмого конденсатора 10 и с выводом эмиттера второго транзистора 2. Первый вывод восьмого конденсатора 25 соединен со вторым выводом седьмого конденсатора 10 и со вторым выводом двенадцатого резистора 5. Первый вывод второго резистора 16 и первый вывод третьего конденсатора 19 соединены с выводами эмиттера первого транзистора 1, первый вывод третьего резистора 9 соединен со вторым выводом дросселя 8. Первый вывод четвертого резистора 11 и первый вывод пятого резистора 15 соединены с первым выводом дросселя 8 и с выводом коллектора первого транзистора 1. Второй вывод четвертого резистора 11 соединен с первым выводом четвертого конденсатора 12, второй вывод третьего резистора 9 соединен с первым выводом пятого конденсатора 20 и первым выводом шестого резистора 17, второй вывод девятого резистора 18 соединен с выводом коллектора второго транзистора 2, а второй вывод пятого резистора 15 соединен с базой второго транзистора 2.

Предварительный усилитель промежуточной частоты работает следующим образом. По постоянному току усилитель охвачен глубокой отрицательной обратной связью, которая обеспечивает высокую стабильность режимов работы транзисторов. Постоянное напряжение отрицательной обратной связи снимается с делителя, состоящего из резисторов 13 и 14, подключенного к эмиттеру транзистора 2, и через резистор 6 подается на базу транзистора 1. Переменное напряжение входного сигнала с входа усилителя через конденсатор 24 и вторичную обмотку трансформатора 7 поступает на базу транзистора 1. Затем напряжение сигнала усиливается транзисторами 1 и 2 и поступает на резисторы 3 и 4, последовательное соединение которых является внутренней нагрузкой усилителя, и на выход усилителя через цепь, состоящую из резистора 5 и конденсаторов 10 и 25. С делителя, состоящего из резисторов 3 и 4, напряжение сигнала через цепь отрицательной обратной связи поступает на первичную обмотку трансформатора 7. При этом на вторичной обмотке трансформатора возникает напряжение отрицательной обратной связи, включенное последовательно между конденсатором 24 и базой транзистора 1. Также напряжение сигнала через цепь отрицательной обратной связи, снимаемое с делителя, состоящего из резисторов 3 и 4, через конденсатор 23 поступает на резистор 6. В результате чего через резистор 6 в точку соединения конденсатора 24 и вторичной обмотки трансформатора 7 поступает ток отрицательной обратной связи. При достаточной глубине обратной связи усилителя его входное сопротивление будет равно отношению напряжения обратной связи к току обратной связи, которые поступают на вход усилителя. Благодаря тому, что цепи обратной связи подключены к точке соединения эмиттера транзистора 2 и резистора 3 параллельно, значение выходного сопротивления в этой точке приближается к нулевому значению. Поэтому выходное сопротивление усилителя практически равно сопротивлению резистора 5, и, таким образом, сопротивление нагрузки усилителя, к тому же включенное последовательно с резистором 5, не влияет на функционирование усилителя. По этой же причине посторонние сигналы, поступающие на выход усилителя, не нарушают его работы. В результате действия отрицательной обратной связи коэффициент передачи и входное сопротивление усилителя промежуточной частоты зависят только от параметров трансформатора 7 и значений сопротивлений резисторов 3,4 и 6, а выходное сопротивление усилителя равно значению сопротивления резистора 5. В том числе входное сопротивление усилителя не зависит и от входного сопротивления транзистора первого каскада усилителя.

Диссипативные потери во входной части цепи обратной связи усилителя, от входа усилителя до базы первого транзистора, влияющие на ухудшение коэффициента шума усилителя, зависят от значения сопротивления резистора 6, от диссипативных потерь в трансформаторе 7, и от вносимого через трансформатор сопротивления потерь параллельно включенных резисторов 3 и 4.

Параметры широкополосного усилителя промежуточной частоты можно рассчитать следующим образом.

При малых потерях в цепи обратной связи, от входа усилителя до базы первого транзистора, для определения коэффициента шума усилителя с достаточной точностью можно использовать следующее упрощенное выражение:

К_{ш у}=(1+R_вх/(2·R_п)+r_п/(2·R_вх))·К_{ш тр},

где К_{ш у} - коэффициент шума усилителя;

R_п - сопротивление потерь, включенное в линию передачи сигнала параллельно и равное сопротивлению резистора 6;

r_п - сопротивление потерь, включенное в линию передачи сигнала последовательно и равное суммарному сопротивлению потерь в трансформаторе и вносимого сопротивления потерь резисторов 3 и 4;

R_вх - входное сопротивление усилителя;

К_{ш тр} - коэффициент шума первого транзистора.

Сопротивление потерь, включенное в линию передачи сигнала последовательно

r_п = r_тр + r_вн,

r_вн = ((R3+R4)/(R3·R4))·(К_тр)2,

где r_тр - сопротивление потерь в трансформаторе;

r_вн - вносимое сопротивление потерь резисторов 3, 4;

К_тр - коэффициент передачи трансформатора.

Коэффициент передачи трансформатора

K_тр = K_св·(L2/L1)1/2,

где К_св - коэффициент связи обмоток трансформатора;

L1 и L2 - индуктивности соответственно первичной и вторичной обмоток трансформатора.

При глубокой обратной связи параметры усилителя с достаточной точностью можно определить следующим образом:

Входное сопротивления усилителя R_вх = R6/(2·К_U).

Выходное сопротивления усилителя R_вых = R5.

Коэффициенты передачи усилителя при условии равенства сопротивления источника сигнала входному сопротивлению усилителя и сопротивления нагрузки выходному сопротивлению усилителя. Коэффициент передачи усилителя по напряжению

K_U=((R3+R4)/R4)/(2·K_тр).

Коэффициент передачи усилителя по току

K_I = K_U·R_вх/R_вых.

Коэффициент передачи усилителя по мощности

К_P = K_U·K_I.

Таким образом, исключение из схемы по авторскому свидетельству СССР №1224960 второго трансформатора и оптимизация значения коэффициента трансформации первого трансформатора, в том числе получение целочисленного значения коэффициента трансформации, а в зависимости от этого и конструкции трансформатора, с помощью выбора соотношений значений сопротивлений резисторов 3 и 4, с целью получения минимальных потерь в цепи отрицательной обратной связи на входе предварительного усилителя промежуточной частоты, и минимальных индуктивностей рассеяния трансформатора, позволяет реализовать в предварительном усилителе промежуточной частоты минимальный коэффициент шума первого транзистора, увеличить глубину отрицательной обратной связи и, следовательно, расширить динамический диапазон усилителя за счет увеличения значения максимальной линейной входной мощности, расширить полосу рабочих частот усилителя. Введение в усилитель резисторов внутренней нагрузки 3 и 4 и изменение схемы отрицательной обратной связи позволяет устранить влияние значения сопротивления нагрузки усилителя на значение входного сопротивления предварительного усилителя промежуточной частоты.

Изобретение относится к радиотехнике, в частности для использования в качестве предварительного усилителя промежуточной частоты, а также в преобразователях частоты, содержащих двойные балансные смесители радиоприемных устройств с фазовым подавлением частот зеркального канала. По постоянному току усилитель (У) охвачен глубокой отрицательной обратной связью (ООС), которая обеспечивает высокую стабильность режимов работы транзисторов (Т). С делителя на резисторах (Р) (3 и 4) напряжение сигнала через цепь ООС поступает на первичную обмотку трансформатора ТР (7). При этом на вторичной обмотке ТР (7) возникает напряжение ООС, включенное последовательно между конденсатором (К) (24) и базой Т (1). Также напряжение сигнала через цепь ООС, снимаемое с делителя (3 и 4), через К (23) поступает на Р (6), в результате чего в точку соединения К (24) и вторичной обмотки ТР (7) поступает ток ООС. При достаточной глубине ООС У его входное сопротивление будет равно отношению напряжения ООС к току ООС, которые поступают на вход У. Выходное сопротивление У практически равно сопротивлению Р (5), и, таким образом, сопротивление нагрузки У, включенное последовательно с Р (5), не влияет на функционирование У. В результате действия ООС коэффициент передачи и входное сопротивление У зависят только от параметров ТР (7) и значений сопротивлений Р (3, 4 и 6), а выходное сопротивление У равно значению сопротивления Р (5). В том числе входное сопротивление У не зависит и от входного сопротивления Т первого каскада У. 1 ил.

Предварительный усилитель промежуточной частоты, характеризующийся тем, что первый вывод первого конденсатора является входом предварительного усилителя промежуточной частоты, второй вывод восьмого конденсатора является выходом предварительного усилителя промежуточной частоты, второй вывод шестого резистора соединен с первым выводом девятого резистора и с первым выводом девятого конденсатора и с положительной клеммой источника питания, второй вывод второго резистора, второй вывод восьмого резистора, второй вывод одиннадцатого резистора, второй вывод второго конденсатора, второй вывод третьего конденсатора, второй вывод пятого конденсатора, второй вывод девятого конденсатора, минусовая клемма источника питания подключены к корпусу, второй вывод первого конденсатора соединен с первым выводом первого резистора и с первым выводом второй обмотки трансформатора, второй вывод второй обмотки трансформатора соединен с выводом базы первого транзистора, первый вывод первой обмотки трансформатора соединен с первым выводом второго конденсатора, второй вывод первой обмотки трансформатора соединен с вторым выводом десятого резистора, с вторым выводом четвертого конденсатора и с первым выводом одиннадцатого резистора, второй вывод первого резистора соединен с первым выводом восьмого резистора, с первым выводом седьмого резистора и с первым выводом шестого конденсатора, второй вывод шестого конденсатора и второй вывод седьмого резистора соединены с первым выводом десятого резистора, с первым выводом двенадцатого резистора, с первым выводом седьмого конденсатора и с выводом эмиттера второго транзистора, первый вывод восьмого конденсатора соединен с вторым выводом седьмого конденсатора и со вторым выводом двенадцатого резистора, первый вывод второго резистора и первый вывод третьего конденсатора соединены с выводом эмиттера первого транзистора, первый вывод третьего резистора соединен со вторым выводом дросселя, первый вывод четвертого резистора и первый вывод пятого резистора соединены с первым выводом дросселя и с выводом коллектора первого транзистора, второй вывод четвертого резистора соединен с первым выводом четвертого конденсатора, второй вывод третьего резистора соединен с первым выводом пятого конденсатора и с первым выводом шестого резистора, второй вывод девятого резистора соединен с выводом коллектора второго транзистора, второй вывод пятого резистора соединен с базой второго транзистора.