Расчет и моделирование элементов супергетеродинного приемника
2.2 Усилитель радиочастоты (УРЧ)
Усилителем радиочастоты (УРЧ) называется каскад, осуществляющий усиление принимаемых сигналов на их собственных частотах, без изменения спектра.
Функции УРЧ:
- обеспечение усиления сигнала по мощности или по напряжению
- обеспечение эффективной частотной избирательности РПУ
- обеспечение защиты цепи антенны от проникновения частоты гетеродина (в случае проникновения частоты гетеродина в цепи антенны, РПУ начинает работать как маломощный передатчик и будет создавать помехи близко расположенным РПУ).
План выполнения работы по этапу
- выбор схемы усилителя радиочастоты и его обоснование
- электрический расчет параметров элементов контура
- подбор параметров сопротивлений и емкостей
- определение оптимальной величины напряжения источника питания Е с применением функции Parameter Sweep
- определение режимов элементов схемы по постоянному току с применением функции DC Operating Point
- измерение АЧХ усилителя во всем диапазоне изменения емкости переменного конденсатора С с применением функции Parameter Sweep
- анализ влияния температуры окружающей среды в диапазоне от -20 до +60 на АЧХ усилителя с применением функции Temperature Sweep
- статистический анализ влияния производственных допусков элементов усилителя на его АЧХ с применением функций Worst Сase и Monte Carlo
- анализ устойчивости усилителя с применением функции Pole-Zero
Выбор схемы усилителя радиочастоты
В качестве УРЧ я выбираю схему с автотрансформаторной связью на полевых транзисторах, потому что такая схема обладает высоким входным сопротивлением, и не будет оказывать нежелательного влияния на входную цепь и антенну. Будет хорошо согласоваться с входной цепью с емкостной связью. Схема также не содержит трансформаторов
Схема УРЧ с автотрансформаторной связью на полевых транзисторах приведена на рисунке 2.2.1.
Рисунок 2.2.1 - Схема УРЧ с трансформаторной связью на полевых транзисторах.
Электрический расчет параметров элементов контура
Для схем УРЧ с автотрансформаторной связью должны выполняться следующие соотношения:
,
где Сf в нФ, fmin в МГц, в Rf кОм. Rf обычно выбирают в пределах 0,2-3,0 кОм.
Я возьму Rf =2 кОм. Следовательно, теперь я могу рассчитать Cf:
В итоге, я получил: Cf = 320 пФ, Rf=2 кОм
Подбор параметров элементов сопротивления и емкостей с учетом варианта задания
В качестве значения переменной емкости С я взял 100 пФ. Это значение соответствует резонансной частоте 3,2 МГц, поэтому мне нужно будет подобрать элементы схемы так, чтобы максимум АЧХ находился на этой частоте.
Экспериментально подобранные параметры:
L1a = 3,1 мГн; L1b = 3,1 мГн; R = 50 Ом; Rn = 3 кОм; С= 100 пФ
На рисунке 2.2.2 приведена АЧХ усилителя при подобранных значениях элементов
Рисунок 2.2.2 - АЧХ усилителя (при С=100 пФ)
приемник цепь частотный
Определение оптимальной величины напряжения источника питания Е с применением функции Parameter Sweep
Результаты моделирования приведены на рисунке 2.2.3 и в таблице 2.2.1.
Рисунок 2.2.3 - Изменение параметров устройства
Таблица 2.2.1 - Значения напряжения источника питания
Проанализировав семейство графиков я увидел, что увеличивать напряжение Е больше чем 20 В не имеет смысла (при этом напряжении находится максимум АЧХ из всего семейства), т.к. это не приводит к дальнейшему увеличению максимума АЧХ. Поэтому я беру значение напряжения источника E равным 20 В.
Определение режимов элементов схемы по постоянному току с применением функции DC Operating Point.
Результат анализа схемы с помощью функции DC Operation Point отражен в таблице 2.2.2. В этой таблице отражены значения всех токов и напряжений различных узлов схемы УРЧ. Получены значения напряжений во всех узлах схемы, при закороченных индуктивностях и разорванных емкостях.
Таблица 2.2.2 - результат анализа по постоянному току
Измерение АЧХ усилителя во всем диапазоне изменения емкости переменного конденсатора С с применением функции Parameter Sweep
В моем случае значение емкости будет изменяться от 32 до 100 пФ. При этом должна меняться резонансная частота УРЧ в рабочем диапазоне 3,2 - 7,5 МГц. Семейство АЧХ УРЧ при различных значениях емкости С приведено на рисунке 2.2.4.
Рисунок 2.2.4 - АЧХ усилителя при различных значениях емкости С
Анализ влияния температуры окружающей среды в диапазоне от -20до+60 на АЧХ усилителя с применением функции Temperature Sweep
Мне нужно посмотреть, как будет влиять изменение температуры на АЧХ усилителя. Семейство АЧХ для различных значений температур приведено на рисунке 2.2.5.
Рисунок 2.2.5 - Семейство АЧХ усилителя при различных значениях температуры.
Как видно из графика, температура практически не оказывает влияния на АЧХ усилителя, поэтому все графики наложились друг на друга и их невозможно различить. Это говорит о том, что изменение температуры не будет приводить к нарушению работы схемы.
Статистический анализ влияния производственных допусков элементов усилителя на его АЧХ с применением функций Worst Сase и Monte Carlo
Мне нужно будет рассмотреть, как будут влиять производственные допуски элементов на АЧХ усилителя. Рисунок 2.2.6 иллюстрирует, как будет изменяться АЧХ при допуске на элементы в 4%. Это я делаю с помощью функции Monte Carlo. Описание прохода отражено в таблице 2.2.3.
Рисунок 2.2.6 - Анализ влияния допусков элементов на АЧХ усилителя с помощью функции Monte Carlo
Таблица 2.2.3 - описание анализа Монте-Карло
Проанализировав эти данные, можно сделать вывод, что допуск элементов в 4% недопустим и оказывает значительное влияние на АЧХ усилителя.
Анализ схемы при помощи функции Worst Case отображен на рисунке 2.2.7, описание прохода проведено в таблице 2.2.4.
Рисунок 2.2.7 - Анализ влияния допусков элементов на АЧХ усилителя с помощью функции Worst Case.
Таблица 2.2.4 - Описание проходов анализа Worst Case
Проанализировав графики можно сделать вывод, что допуск элементов 1% практически не влияет на АЧХ усилителя и его резонансную частоту. Поэтому допуск в 1% допустим для данной схемы.
Анализ устойчивости усилителя с применением функции Pole-Zero
Нули и полюса передаточной функции представлены в таблице 2.2.5. Из этой таблицы видно, что нули и полюса имеют отрицательную вещественную часть, следовательно, система является устойчивой.
Таблица 2.2.5 - результат анализа нулей и полюсов
Выводы по разделу:
Перестройка частоты осуществляется конденсатором переменной емкости таким же, что используется во входной цепи. Полученный УРЧ отвечает всем необходимым требованиям, его характеристики не зависят от температуры в заданном диапазоне, почти не зависят от напряжения питания, следовательно, требования к источнику питания не строгие. Кроме того УРЧ был проверен на устойчивость, было оценено влияние допусков элементов на АЧХ усилителя.