По способу включения электронных усилительных приборов УПЧ подразделяют на усилители с общим эмиттером и УПЧ с каскодным включением транзисторов (чаще по схеме ОЭ-ОБ). Широко используются УПЧ на интегральных схемах.
Усилители промежуточной частоты могут выполняться либо в виде одного блока с приблизительно однотипными каскадами (или группами каскадов), либо в виде двух блоков – блока предварительного и блока главного усилителя. В последнем случае, типичным для приемников, не имеющих УВЧ, предварительный усилитель (ПУПЧ) размещается вблизи антенны. Он должен обладать малым коэффициентом шума и обеспечивать усиление сигнала, достаточное для компенсации потерь сигнала в кабеле, соединяющем оба усилительных блока, и создания необходимого превышения уровня сигнала над уровнем возможных помех.
Для широкополосного усиления сигнала на промежуточной частоте широко используют одноконтурные схемы с настроенными и расстроенными каскадами, а также схемы с двухконтурными настроенными каскадами.
Выбирая тип схемы широкополосного УПЧ, необходимо учитывать достоинства и недостатки различных схем по простоте настройки и регулировки, качеству воспроизведения формы сигнала, избирательности по соседнему каналу, критичности к разбросу параметров усилительных электронных приборов, стабильности фазового сдвига и времени запаздывания.
С точки зрения простоты схемы лучшими являются одноконтурные настроенные усилители. Эти усилители по сравнению с другими типами УПЧ при равных полосах пропускания в меньшей степени искажают форму радиоимпульса и менее чувствительны к разбросу параметров ламп и транзисторов.
В процессе эксплуатации приемных устройств с многоканальными трактами промежуточной частоты существенное значение имеет стабильность их амплитудно-частотных характеристик. В этом отношении также предпочтительнее одноконтурные настроенные усилители.
Вместе с тем по эффективности и избирательности более совершенными являются усилители на расстроенных тройках, затем следуют усилители двухконтурные и на парах, а самые низкие показатели имеют одноконтурные настроенные усилители.
Практически одноконтурные настроенные УПЧ применяются, если требуемая полоса пропускания не превышает 2 ÷ 3 МГц; одноконтурные расстроенные на парах - 5 ÷ 10 МГц и одноконтурные расстроенные на тройках - 15 ÷ 20 МГц. Однако при высоких требованиях к избирательности по соседнему каналу, с целью повышения прямоугольности формы амплитудно-частотной характеристики усилителя, схемы на парах и тройках расстроенных контуров могут использоваться и при меньших значениях ширины полосы пропускания.
В узкополосных усилителях промежуточной частоты применяют схемы с полосовыми фильтрами распределенной избирательности (двухконтурные или трехконтурные) и с фильтрами сосредоточенной избирательности. Последние позволяют получить высокую избирательность и очень узкую полосу пропускания. Такие свойства в усилителе обеспечиваются при введении в его состав многозвенных полосовых или электромеханических фильтров (пьезоэлектрических и магнитострикционных).
Одноконтурные усилители промежуточной частоты целесообразно применять в случаях, когда к избирательности по соседнему каналу не предъяляются высокие требования. Они обычно реализуются на биполярных транзисторах с общим эмиттером, на каскодных схемах включения транзисторов ОЭ-ОБ или на интегральных микросхемах К171, К175 сериях (К175УВ4).
Противоречия, возникающие между необходимостью обеспечения широкой полосы пропускания, с одной стороны, максимальным коэффициентом усиления и избирательностью, с другой, вынуждает искать пути их разрешения. Одним из путей разрешения этих противоречий является переход от одноконтурных настроенных усилителей к усилителям с взаимно расстроенными каскадами. Наиболее широкое применение нашли усилители с парами и тройками расстроенных каскадов. Характерной особенностью усилителей с парами расстроенных каскадов является то, что каждый из двух каскадов, составляющих пару, расстраивается относительно средней частоты ƒП полосы пропускания усилителя: первый каскад настраивается на частоту ƒП1 , несколько большую, чем частота ƒП , второй каскад – на частоту ƒП2 , несколько меньшую, чем частота ƒП. Форма амплитудно-частотной характеристики пары каскадов зависит от начальной (фиксированной) расстройки каскадов ε0 . при малых расстройках характеристика имеет один максимум; по мере увеличения ε0 вершина характеристики становится все более и более плоской. Максимально плоская вершина получается при критической расстройке:ε0 = 1. При дальнейшем увеличении расстройки ε0 характеристика становится двугорбой с провалом по частоте ƒП и с максимумами при ε =± (ε0 – 1)1/2.
Особенностью усилителей с тройками расстроенных каскадов является то, что в каждую такую группу входит три каскада. Два из них симметрично расстроены относительно промежуточной частоты ƒП , а третий настроен на промежуточную частоту ƒП . Симметричность расстройки и равенство добротностей (затуханий) контуров двух расстроенных каскадов обеспечивает симметрию результирующей резонансной кривой УПЧ.
Форма амплитудно-частотной характеристики (резонансной кривой) рассматриваемого трехкаскадного усилителя может в зависимости от того, превышает или нет расстройка контуров ε0 критическую величину ε0 КР , иметь один или три максимума.
По мере уменьшения начальной расстройки ε0 максимумы и минимумы сближаются и при критической расстройке ε0 КР = 31/2 амплитудно-частотная характеристика УПЧ будет иметь максимально плоскую вершину и ее форма еще больше приближается к прямоугольной.Выполним сравнение между собой рассмотренных схем УПЧ выполненных на усилителях с одноконтурными фильтрами. Будем полагать, что все три типа усилителей (одноконтурными настроенными каскадами, с парами расстроенных каскадов и с тройками расстроенных каскадов) имеют одинаковое число каскадов m = 6 (mП = 3; mТ =2), усилительные элементы во всех усилителях одинаковы, коэффициенты усиления и резонансные частоты всех трех усилителей равны между собой. Результаты сравнения приведены в таблице 2.
Таблица 2
Сравнительная характеристика УПЧ с одноконтурными фильтрами
| Тип усилительного каскада | Полоса пропускания | Коэффициент ослабления помех, принимаемых по соседнему каналу |
| С одноконтурными одинаково настроенными фильтрами | П | 3,2 |
| С парами взаимно расстроенных одноконтурных каскадов | 2,05П | 11,8 |
| С тройками взаимно расстроенных одноконтурных каскадов | 2,5П | 26 |
Анализ данных приведенных в таблице 2, показывает, что наиболее эффективным усилителем по коэффициенту ослабления помех, принимаемых по соседнему каналу, является усилитель выполненный на тройках взаимно расстроенных одноконтурных каскадах. Однако необходимо отметить, что такое повышение коэффициент ослабления помех, связано с увеличением числа усилительных каскадов на одну треть и со сложностью настройки всего УПЧ в целом. На основании этого можно сделать вывод, что выполненная схема УПЧ на парах взаимно расстроенных одноконтурных каскадах в контрольном ответчике СОМ-64К является наиболее целесообразной и обоснованной, так как способна обеспечить требуемые тактико-технические характеристики всего устройства в целом.
6. Обоснование схемы регулировки усиления амплитудной характеристикой усилителя промежуточной частоты
Одним из основных требований, предъявляемых к современному приемному устройству, является отсутствие в нем перегрузки. Часто это требование обеспечивается введением в приемный тракт усилителей с логарифмической амплитудной характеристикой (ЛАХ). Качество работы УПЧ с ЛАХ характеризуется следующими показателями:
1) динамическим диапазоном по входному напряжению
DВХ =UВХ.К / UВХ.Н или в децибелах DВХ = 20 lg (UВХ.К / UВХ.Н),
где U ВХ.Н и U ВХ.К – уровни входных напряжений, при которых начинается и кончается логарифмический участок амплитудной характеристики;
2) динамическим диапазоном по выходному напряжению
D ВЫХ =U ВЫХ.К / U ВЫХ.Н или в децибелах D ВЫХ = 20 lg (U ВЫХ.К / UВЫХ.Н),
где U ВЫХ.Н и U ВЫХ.К – уровни выходных напряжений соответствующие началу и концу логарифмического участка амплитудной характеристики;
3) коэффициент сжатия усиливаемого напряжения
С = D ВХ / D ВЫХ
4) коэффициент усиления К0 при работе усилителя в линейном режиме
(U ВХ. ≤ U ВХ.Н)
5) полосой пропускания ПУПЧ.
Все многообразие схемных решений усилителей с ЛАХ можно свести к двум модификациям:
1) усилителям с переменным коэффициентом усиления;
2) усилителям с переменным числом каскадов.
В первую группу объединены усилители, содержащие в своей нагрузке нелинейные сопротивления, величина которых является функцией приложенного к ним напряжения, за счет этого и производится регулировка коэффициента усиления усилителя. Наиболее распространенным примером второй группы усилителей является многокаскадный усилитель с последовательным детектированием. Схема такого усилителя предполагает, что к выходу каждого или группы каскадов УПЧ подключены амплитудные детекторы. Поскольку все детекторы подключены к общей нагрузке, то усиливаемый сигнал попадает на выход усилителя, минуя перегруженные каскады. Таким образом, усилитель в целом не перегружается до тех пор, пока не войдет в насыщении первый каскад усилителя.
Поскольку каскады логарифмического УПЧ с последовательным детектированием должны быть идентичными, то они могут выполняться только по схеме усилителей с настроенными каскадами (одноконтурными или двухконтурными).
Согласно технического описания на контрольный ответчик СОМ-64К, канал УПЧ обеспечивает амплитудную логарифмическую характеристику приемника на частоте 1030МГц в динамическом диапазоне 50дБ (316,2 раза), благодаря наличию трех раздельных амплитудных детекторов на выходах 4, 6 и 8 каскадов усиления.
Отсюда следует, что разработчиками контрольного ответчика СОМ-64К была выбрана наиболее простая и достаточно эффективная схема регулировки усиления, путем использования логарифмической амплитудной характеристики приемника, реализуемой за счет последовательного детектирования многокаскадного УПЧ.