Усилитель промежуточной частоты (УПЧ)

Усилители с широким динамическим диапазоном могут быть построены по схеме усилителя-ограничителя (УО) или усилителя с логарифмической амплитудной характеристикой (ЛАХ). У последних между входным и выходным сигналом существует вполне определенная функциональная зависимость вида:

УО такой зависимостью не характеризуются.

Логарифмические усилители могут быть выполнены по параллельной и последовательной и схеме. В первой используется параллельное включение каскадов усилителя с различным коэффициентом усиления. Для защиты от перегрузок и повышения стабильности на выходе каждого каскада ставится двусторонний усилитель-ограничитель, и с выхода каждого канала сигналы суммируются. Однако увеличение массогабаритных показателей, связанное с необходимостью использования значительного числа каналов, обусловило большее распространение усилителей с ЛАХ, построенных по методу последовательного усиления и суммирования:

Рис.5.5.1.

Такой усилитель (рис.5.5.1) представляет собой последовательное соединение нескольких каскадов, каждый из которых, в общем случае, содержит линейный усилитель и двусторонний ограничитель. Выходы всех каскадов объединены сумматором через буферные каскады (БК), способствующие увеличению развязки между каскадами и повышению устойчивости усилителя. Для получения амплитудной характеристики, достаточно хорошо приближающейся к логарифмической, все каскады должны быть идентичны. В зависимости от особенностей реализации и назначения логарифмического усилителя, в обобщенную схему могут вноситься изменения. Так, возможно совмещение функций линейного усиления и двустороннего ограничения, например в ИМС; сумматор может быть выполнен в виде резистора, усилительного каскада или линии задержки; буферные каскады могут использоваться также и для коррекции частотной и фазовой характеристик усилителя.

Амплитудная характеристика логарифмических усилителей описывается системой уравнений:

где К₀ – коэффициент усиления в линейном режиме; U_âõ.í – ïîðîãîâûé óðîâåíü âõîäíîãî ñèãíàëà, íà÷èíàÿ ñ êîòîðîãî àìïëèòóäíàÿ õàðàêòåðèñòèêà ñòàíîâèòñÿ ëîãàðèôìè÷åñêîé; b – коэффициент, определяющий наклон ЛАХ.

Основные показатели логарифмического усилителя могут быть определены из соотношений [11]:

где К_ОС - коэффициент усиления одного каскада на ИМС;

D_вх = U_{âõ.макс} / U_âõ.í - логарифмический динамический диапазон усилителя, определяемый протяженностью логарифмического участка амплитудной характеристики и равный динамическому диапазону изменения уровня входных сигналов;

U_{âõ.макс} - максимальный уровень входного напряжения, соответствующий концу логарифмического участка амплитудной характеристики;

U_âõ.í - напряжение на входе ИМС, при котором начинается амплитудное ограничение;

n - число каскадов усилителя;

K_0n - к-т усиления всего усилителя в линейном режиме;

d - ошибка, связанная с отклонением АХ от логарифмической.

Данные к расчету:

· частота сигнала ПЧ: f_пч = 30 МГц;

· избирательность по соседнему каналу: Se_ск = 10 дБ;

· коэффициент усиления УПЧ: K_0n =13440;

· искажения переднего фронта импульса: Dt_и =0,15 мкс;

· динамический диапазон входных сигналов D_вх=60 дБ;

· динамический диапазон выходных сигналов D_вых=<10 дБ;

· порог логарифмирования АХ: U_âõ.í =1×10^-4 В.

Принципиальная схема УПЧ [11] приведена на рис.5.5.2

Рис.5.5.2 Принципиальная схема УПЧ

Расчет УПЧ на ЭВМ

Ввиду ограниченности выбора ИМС, обладающих соответствующими паспортными данными, а так же трудности аналитического решения системы, расчет УПЧ будем производить методом последовательных приближений с использованием ЭВМ и программы Micro Cup V. Расчет логарифмической амплитудной характеристики УПЧ выполним по программе собственной разработки WinЛАХ. Ниже приведены результаты расчета, а листинг программы WinЛАХ дан в приложении.

Расчёт детектора

Для детектирования радиоимпульсов, т.е. для преобразования их в видеоимпульсы, используем последовательные диодные детекторы, выполненные по схеме (рис.5.5.1).

Lд

 

Сн

 

Ск

 

Rн

рис.5.5.1Последовательный диодный детектор

 

Видеоимпульсы с выхода детектора поступают на видеоусилитель.

Данные для расчёта:

Частота сигнала ПЧ f_пч = 30 МГц;

Параметры входного контура L_к=50 нГн; С_к = 2 пФ;

Допустимые искажения импульса:

Время нарастания импульса t_у =0,2 мкс;

Время спада импульса t_сп = (0,3...0,5)×t_у = (0,3...0,5)×0,2 = 0,1 мкс;

U_вхДет = 0,5 В;

K_д ~ 0,8 _ 0,9.

Крутизна ВАХ диода:

S_д = Di_д / Du_д = 1/R_iд = 1/ 10 = 0,1

 

Ёмкость в нагрузке:

C_н = 15×C_д - C_м = 15×2 пФ - 8 пФ = 22 пФ

R_н~=t_сп/(2,3×C_Н)=0,1мкс/(2,3×22пФ)=5.1кОм -параллельное сопротивление R_н и R_вх=1кОм (в случае использования ВУ на ИМС К175УВ2)

Сопротивление нагрузки детектора

R_н = (R_н~×R_{вх ву})/(R_н~ + R_{вх ву}) = (5,1к×1к)/(5,1к + 1к) = 1,2 кОм

Проверка правильности выбранных параметров детектора:

R_н~×(C_н + C_вхвУ + C_м) È (1..2)/f_пр

5,1 кОм×(22 пФ + 50 пФ + 8 пФ) È (1..2)/30 МГц

4×10^-6 > 0,067×10^-6 Þ параметры детектора выбраны правильно.

Коэффициент передачи детектора К_д:

К_д = cosQ @ 0,8...0,9

где Q = Ö3p / (Sд×Rн) = Ö 3p / 0,1×1,2к = 0,428

отсюда Кд = 0,9

Входное сопротивление детектора Rвх

Rвх = Rн /2 = 1,2к / 2 = 0,6 кОм

 

Определим время установления фронта t_уд

t_уд = R_н×C_н×(2×R_iэ + R_э) /(0,5×R_н + 2,5×R_iз + R_э)=

=1,2×10³×22×10^-12×(2×10 + 1,9×10³) /(0,5×1,2×10³ + 2,5×10 + 1,9×10³)=0,2 мкс

Коэффициент подключения m_д

L_к = 50 нГн и C_к = 2 пФ - параметры выходного каскада УПЧ;

r_к = ÖL_к /C_к = 158 Ом - характеристическое сопротивление контура

 

d₀ = 0,006 [справочник Петрова] Þ П _{0,7 упч} = d₀×f_пр = 5 МГц

d_{вн д} = П _{0,7 упч} / 2×f_пр = 5 МГц / 1270 МГц = 0,004 - зквивалентное затухание, вносимое детектором

m_д = d_{вн д}×Rн /2×r_к = 0,004×1200/2×158 = 0,15

 

Полный коэффициент усиления детектора

К_д` = К_д×m_д = 0,9×0,15 = 0,135

Расчет емкости разделительного сонденсатора С_р

D% <= 1...3 % - спад плоской вершины

С_р = (t_и ×100%)/((R_н + R_{вх ву}) ×D%) =

= 0,66×10^-6×100% / ((1,2×10³ + 1000) ×2%) = 15 нФ

Определим нужно ли ставить дроссель для фильтрации пульсаций импульса f_пр Если К_ф < 0,01-0,02,то дросель можно не ставить

К_ф =(С_{вх ву} / (C_н + С_{вх ву)}) × 1/(2p × f_пр × С_н × R_н + 1) =

= (50 пФ/(22пФ + 50пФ)) ×1/(2×p × 30 МГц × 22пФ × 1,2кОм + 1) = 0,14

Условие не выполняется, значит дроссель нужен.

Резонансная частота f_др паразитного контура С_др L_др:

С_др @ 3...5пФ, принимаем С_др = 2пФ

f_др @ 0,7f_пр = 0,7× 30 МГц = 21 МГц

L_др = 1/((2p)²×f_др² ×С_др) = 1/((2p)²×21 МГц²×2пФ) = 28,7 мкГн

К_ф`при наличии дроселя

К_ф` = С_др/(С_{др +} С_{вх ву}) = 2пФ / (2пФ + 50пФ) = 0,04

Проверочный расчёт

Проверим, соответствует ли спроектированный приёмник требованиям технического задания.

Данные к рассчету:

К_р.ф.=×0,8

Ш_вц=1,5 К_вц=0,8

Ш_пч=3 К_пч=1,25

Ш_упч=10 К_упч=6×10³

 

Ш=(Ш_вц+(Ш_пч-1)/К_вц+(Ш_упч-1)/(К_вц×К_пч))/К_р.ф.=

= (1,5 + (3-1)/0,8 + (10-1)/(0,8×1,25))/0,8 = 12,5/0,8 = 15,6 < Ш_доп = 21

При таком коэффициенте шума чувствительность приёмника:

Р_А= [Ш/К_р.ф + (t_А - 1)] ×(P_c/P_ш) к×Т₀×П_Ш = [15,6/0,8 + (0,48 - 1)] ×1,4×1,38×10^-23×290К×6,93×10⁶ =0,73×10^-12 < Р_а(ТЗ) = 1×10^-12

Следовательно, спроектированный приёмник отвечает всем требо­ваниям ТЗ.