Каскады усиления

• Каскад усиления — ступень усилителя, содержащая один или несколько усилительных элементов, цепи нагрузки и связи с предыдущими или последующими ступенями.

• В качестве усилительных элементов обычно используются электронные лампы или транзисторы (биполярные, полевые), иногда, в некоторых специальных случаях, могут применяться и двухполюсники, например, туннельные диоды (используется свойство отрицательного сопротивления) и др. Полупроводниковые усилительные элементы (а иногда и вакуумные) могут быть не только дискретными (отдельными) но и интегральными (в составе микросхем), часто в одной микросхеме реализуется полностью законченный усилитель.

• В зависимости от способа включения усилительного элемента различаются каскады с общей базой, общим эмиттером, общим коллектором (эмиттерный повторитель) (у биполярного транзистора), с общим затвором, общим истоком, общим стоком (истоковый повторитель) (у полевого транзистора) и с общей сеткой, общим катодом, общим анодом (у ламп)

  • Каскад с общим эмиттером (истоком, катодом) — наиболее распространённый способ включения, позволяет усиливать сигнал по току и напряжению одновременно, сдвигает фазу на 180°, то есть является инвертирующим.

  • Каскад с общей базой (затвором, сеткой) — усиливает только по напряжению, применяется редко, является наиболее высокочастотным, фазу не сдвигает.

  • Каскад с общим коллектором (стоком, анодом) — называется также повторителем (эмиттерным, истоковым, катодным), усиливает ток, оставляя напряжение сигнала равным исходному. Применяется в качестве буферного усилителя. Важными свойствами повторителя являются его высокое входное и низкое выходное сопротивления, фазу не сдвигает.

  • Каскад с распределенной нагрузкой — каскад, занимающий промежуточное положение между схемой включения с общим эмиттером и общим коллектором. Как вариант каскада с распределенной нагрузкой, выходной каскад усилителя мощности «двухподвес». Важными свойствами являются задаваемый элементами схемы фиксированный коэффициент усиления по напряжению и низкие нелинейные искажения. Выходной сигнал дифференциальный.

• Каскодный усилитель — усилитель, содержащий два активных элемента, первый из которых включен по схеме с общим эмиттером (истоком, катодом), а второй — по схеме с общей базой (затвором, сеткой). Каскодный усилитель обладает повышенной стабильностью работы и малой входной ёмкостью. Название усилителя произошло от словосочетания «КАСКад через катОД» (англ. CASCade to cathODE)^[1]

• Каскады усиления могут быть однотактными и двухтактными.

  • Однотактный усилитель — усилитель, в котором входной сигнал поступает во входную цепь одного усилительного элемента или одной группы элементов, соединённых параллельно.

  • Двухтактный усилитель — усилитель, в котором входной сигнал поступает одновременно во входные цепи двух усилительных элементов или двух групп усилительных элементов, соединённых параллельно, со сдвигом по фазе на 180°.

Назначение, классификация и принцип работы автогенераторов.

Автогенератор – это радиотехническое устройство, предназначенное для

преобразования энергии источника постоянного тока в энергию незатухающих

электрических колебаний.

Автогенератор можно представить как усилитель с положительной

обратной связью (рис. 2.3)

Автогенератор включает в себя следующие узлы:

- усилительный элемент (электронная лампа, транзистор, и др.);

- нагрузка усилительного элемента в автогенераторах гармонических

колебаний – это, как правило, LC колебательный контур;

- цепь положительной обратной связи – пассивный четырёхполюсник с

коэффициентом передачи β < 1;

- стабилизированный источник питания.

Виды генераторов:

1. По форме выходного сигнала:

- синусоидальных сигналов (генератор Мейснера, генератор Хартли (индуктивная трёхточка), генератор Колпитца (ёмкостная трёхточка) и др.);

- прямоугольных импульсов — мультивибратор;

- функциональный генератор — прямоугольных, треугольных и синусоидальных импульсов.

2. По частотному диапазону:

- низкочастотные;

- высокочастотные.

3. По принципу работы:

- стабилизированные кварцевым резонатором;

- блокинг-генератор;

- RC-генератор.

По ГОСТ 15094 [2] генераторы подразделяются на 6 видов: низкочастотные, высокочастотные, импульсные, сигналов специальной формы, шумовых сигналов и качающейся частоты. Однако следует учитывать, что классификационные границы условны, некоторые генераторы занимают промежуточное положение между низко- и высокочастотными, некоторые бывают комбинированными по виду сигнала. Для оптических генераторов существует аналогичная классификация. Кроме генераторов стандартизованных видов бывают генераторы отраслевого назначения (в составе контрольно измерительной аппаратуры).

Г2 — генераторы шума, имитируют белый или розовый шум.

Примеры: Г2-37, Г2-47, Г2-59

Г3 — генераторы низкой частоты, обычно от 20 Гц до 200 кГц, реже до 2 или 10 МГц, модуляция сигнала, как правило, не предусмотрена.

Примеры: Г3-102, Г3-109, Г3-122

Г4 — генераторы высокой частоты, предназначены для работы в радиочастотном диапазоне, различные виды модуляции.

Примеры: Г4-83, Г4-129, РГ4-14

Г5 — генераторы импульсов, воспроизводят последовательности прямоугольных импульсов, некоторые генераторы способны генерировать кодовые импульсные последовательности.

Примеры: Г5-54, Г5-80, Г5-89

Г6 — генераторы сигналов специальной формы, воспроизводят последовательности импульсов разной формы: треугольной, пилообразной, трапецеидальной и др.

Примеры: Г6-17, Г6-22, Г6-39

Г8 — генераторы качающейся частоты ;

ОГ — генераторы оптического диапазона

Примеры: ОГ-2-1, ОГ4-163, ОГ5-87

Генераторы отраслевого назначения — воспроизводят специальные сигналы, например, сложной формы или со сложными комбинированными методами модуляции, манипуляции; предназначены для проверки и настройки определенных видов радиоаппаратуры.

Основные нормируемые характеристики:

1. Диапазон воспроизводимых частот;

2. Точность установки частоты и ее нестабильность;

3. Диапазон установки выходных уровней (напряжения или мощности);

4. Точность установки выходного уровня, погрешность аттенюатора;

5. В зависимости от вида генератора могут быть дополнительные параметры — характеристики модуляции, временные характеристики импульсов и т.д.Принцип работы автогенераторов: Общие условия самовозбуждения Рассмотрим автогенератор как структуру, содержащую два основных звена: усилительное (К) и звено обратной связи с коэффициентом передачи (рис.5.1)Обозначим                                     (5.1) - комплексный коэффициент усиления усилительного звена), где  и - входное и выходное напряжение усилительного звена.

               (5.2)

( - комплексный коэффициент передачи напряжения цепи обратной связи), где - напряжение на входе, а - напряжение на выходе цепи обратной связи. Комплексная форма выражений вызвана необходимостью учета сдвигов фаз, создаваемых усилительным звеном  и цепью обратной связи.

При наличии в схеме автогенератора колебаний должно  выполняться условие:

                     (5.3)

Из этого равенства вытекает:1) К_b= 1 - условие баланса амплитуд                                           (5.4)

2) j_k + j_b= 2p_n - условие баланса фаз, где           (5.5)

Здесь К- модуль коэффициента усиления усилительного каскада, b - модуль коэффициента передачи цепи обратной связи, jk - фазовый сдвиг, создаваемый усилительным каскадом, jb - фазовый сдвиг, создаваемый цепью обратной связи, n = 0,1,2,3,4,...Эти условия являются очень важными в теории автогенераторов.Основной предпосылкой к самовозбуждению автогенератора и переходу его в режим установившихся колебаний является положительная обратная связь, характеризуемая совпадением фазы напряжения на выходе цепи обратной связи и входе усилителя.Под действием положительной обратной связи малые флуктуационные колебания, возникающие в схеме генератора после включения напряжения питания, усиливаются  усилительным каскадом К и передаются по цепи обратной связи вновь на выход усилителя. При каждом обходе по замкнутому контуру, содержащему усилитель и цепь обратной связи, сигнал на входе и выходе усилительного звена прогрессивно возрастает. Такой рост продолжается до тех пор, пока процесс самовозбуждения не завершается установившимся режимом, для которого и выполняются условия баланса амплитуд (4). Для самовозбуждения автогенератора в начальный момент времени необходимо выполнение условия: К_b> 1 (5.6)

Если бы характеристика усилительного звена была линейной, это привело бы к бесконечному росту амплитуды автоколебаний. Поэтому усилительное звено должно обладать нелинейной характеристикой. Переход к установившемуся режиму обусловлен постепенным уменьшением коэффициента усиления усилительного звена в связи с уменьшением наклона амплитудной характеристики при росте сигнала, что характерно для всех видов усилителей (рис. 5.2).

Измерение основных параметров передатчиков.

Диапазон рабочих частот определяется двумя параметрами: граничными частотами диапазона fmin и fmax, а также коэффициентом перекрытия диапазона

по частоте Kf :

При заданном интервале между соседними частотами Δfрч определяется

количество рабочих частот Nрч, на которые может быть настроен

радиопередатчик.

Виды радиосигналов формируемых радиопередатчиками. Все виды радиосигналов, используемых в радиосвязи, можно разделить на три группы: телефонные, формируемые в процессе модуляции; телеграфные, формируемые в процессе манипуляции, и цифровые сигналы.

В настоящее время при формировании телефонных радиосигналов наиболее широко используются методы однополосной модуляции (ОМ) и частотной модуляции (ЧМ). Методы амплитудной модуляции (АМ) практически используются только в радиовещании.

При работе телеграфными сигналами применяются методы амплитудного АТ, частотного ЧТ и ДЧТ и фазового телеграфирования ФТ и ОФТ. Цифровые потоки передачи данных формируются специальной аппаратурой.

Мощность радиопередатчика определяет уровень сигнала в точке приёма,

и, следовательно, дальность радиосвязи и её надёжность. Для всех видов телефонных радиосигналов (кроме ОМ) средняя мощность измеряется при отсутствии первичного сигнала, т. е. в режиме молчания.

Для телефонных радиосигналов с ОМ мощность радиопередатчика определяется пиковой мощностью радиосигнала при максимальном значении первичного модулирующего сигнала.

При работе радиопередатчика телеграфными и цифровыми радиосигналами мощность оценивается средней мощностью, подводимой к антенне при передаче токовой (положительной) посылки или символа «единицы» первичного электрического сигнала.

В выражениях (2.3; 2.4; 2.5):

Ι_А – амплитуда тока радиосигнала на входе передающей антенны;

r_А – активная составляющая входного сопротивления антенны.

Стабильность частоты излучения радиосигналов определяет устойчивость и надёжность радиосвязи, мешающие воздействия на соседние по частоте каналы связи, обеспечивает вхождение в связь без поиска корреспондентов и ведение радиосвязи без подстройки радиоприёмника по сигналу корреспондента.

Количественно стабильность частоты оценивается либо абсолютной, либо

относительной нестабильностью. Под абсолютной нестабильностью частоты понимается разность между текущими (измеренными) значениями частоты f и её номинальным значением f₀.

Положительное значение абсолютной нестабильности свидетельствует об увеличении, а отрицательное – об уменьшении частоты передатчика относительно номинального значения f₀.

Абсолютная нестабильность частоты Δf не позволяет сравнивать передатчики, работающие в различных диапазонах частот, по стабильности их частот. Поэтому стабильность частоты передатчиков оценивается относительной нестабильностью, под которой понимается отношение абсолютной нестабильности к номинальному значению частоты f0, на которой осуществляется измерение.

Чем меньше величина относительной нестабильности δ, тем выше

стабильность частоты передатчика. Стабильность частоты современных радиопередатчиков достигает величин и выше.

Подавление(фильтрация) побочных колебаний. Под побочными колебаниями радиопередатчика понимают колебания, излучаемые антенной на частотах, расположенных за пределами спектра основного радиосигнала.

Принято различать два основных вида побочных излучений: на гармониках

основной частоты, появляющиеся в результате нелинейного режима усиления радиосигналов в УМ; на комбинированных частотах, расположенных в

непосредственной близости от спектра основного радиосигнала, появляющиеся

в результате нелинейных преобразований при формировании радиосигналов на

рабочей частоте в возбудителе передатчика.

Существующими нормами определяются следующие требования по

подавлению комбинационных частот: в полосе частот, отстоящих от полосы

частот полезного сигнала на (±3,5) − (±25) кГц, ослабление должно быть не

менее 80 дБ; в полосе частот, отстоящих на ±25 кГц и до ±10% от

установленной частоты, –120 дБ; в полосе частот свыше ±10% от

установленной частоты –140 дБ.

Нормы подавления побочных излучений на гармониках основного сигнала

определяются требованиями международного консультативного комитета по

радио МККР, согласно которым средняя мощность, излучаемая на гармониках

радиопередатчиками, работающими в диапазоне частот до 30 МГц, должна

быть меньше мощности основного сигнала на 40 дБ и не превышать величины

50 мВт; мощность, излучаемая на гармониках радиопередатчиками,

работающими в диапазоне частот 30 – 235 МГц, должна быть на 60 дБ меньше

мощности основного сигнала, но не более 1 мВт.

Время перестройки передатчика с одной частоты на другую, в значительной степени определяющее надёжность радиосвязи, особенно в условиях сложной помеховой обстановки: чем оно меньше, тем больше надёжность радиосвязи. Современные радиопередатчики, имеющие системы заранее подготовленных частот ЗПЧ, обеспечивают перестройку с одной ЗПЧ на другую в течение единиц секунд. В настоящее время предъявляются более жёсткие требования ко времени перестройки, которое ограничивается единицами – десятками миллисекунд и меньше.

Промышленный КПД – это отношение мощности передатчика, подводимой

к антенне Р_А, к мощности, потребляемой радиопередатчиком от источника

питания Р0

Техническая (эксплуатационная) надежность радиопередатчика

определяется временем его безотказной работы.

Устойчивость радиопередатчика к механическим воздействиям–

способность работать в различных климатических условиях при резких

изменениях температуры, влажности и давления.

Способы реализации угловой модуляции.

Существуют прямые и косвенные методы получения чм и фм колебаний. При прямых методах модулирующее колебание непосредственно воздействует на необходимый для данной модуляции параметр: частоту ω рис8.5а или фазу φ рис8.5б РЧ колебания.

В первом случае частотный модулятор представляет собой автогенератор, в контур которого включен реактивный элемент управляемый модулирующим сигналом рис8.5в. Прямая фазовая модуляция обычно осуществляется в цепи, через которую проходим РЧ колебание и сдвиг фазы выходного сигнала изменяется под действием сигнала модуляции рис8.5г.

Косвенные методы предполагают получение нужного вида угловой модуляции осуществлением другой модуляции соответствующим преобразованием сигнала. Так как частота и фаза гармонического колебания взаимосвязаны (ω=dφ/dt) ЧМ колебание можно получить осуществляя модуляцию по фазе, но при этом необходимо устранить зависимость девиации частоты Δω от частоты модуляции Ω, присущую ФМ рис85д. Это не трудно выполнить, пропустив модулирующий сигнал через цепь с коэффициентом передачи пропорциональным 1/ Ω рис85д. Девиация фазы на выходе такого устройства ,а девиация частоты при этом Δω=kU_Ω, будет зависеть только от амплитуды U_Ω , что характерно для ЧМ . аналогично ФМ колебание можно получить косвенным путем с помощью частотного модулятора и корректирующей цепи на его выходе с коэффициентом передачи, пропорциональным Ω, рис85е. В качестве корректирующих цепей можно использовать интегрирующую RC- цепь рис85д и дифференцирующую RC- цепь рис85е.

Классификация радиопередающих устройств.

По назначению: связные, радиовещательные, телевизионные, радиолокационные, радионавигационные, телеметрические.

По мощности: очень малой (Р 3 Вт), малой (3-100 Вт) и средней (0,1-10 кВт) мощности, а также мощные (до 1000 кВт) и сверхмощные (св. 1000 кВт).

По роду работ (вид излучения) телеграфные, телефонные, однополосные, импульсные …

Совр. Р. у. охватывают спектр эл.-магн. колебаний от очень низких (3-30 КГц) до крайне высоких (30-300 ГГц) частот. По диапазону частот. В соответствии с рекомендациями международного союза электросвязи. МСЭ.

По виду модуляции различают Р. у., работающие в непрерывном режиме с амплитудной, частотной, фазовой модуляцией или их сочетаниями, и импульсные Р. у. с разл. видами модуляции параметров радиоимпульсов - амплитудно-импульсной, широтно-им-пульсной, кодоимпульсной и др. Частный случай импульсной модуляции - манипуляция используется при передаче телеграфных знаков. В условиях воздействия мощных помех применяют шумоподобные сигналы.

По типу активных элементов, используемых для формирования радиосигналов в разл. диапазонах рабочих частот и мощностей, различают Р. у. транзисторные, ламповые, клистронные, магнетронные, на лампах бегущей волны или обратной волны, лазерные и т. д.

По способу транспортировки: стационарные и подвижные (переносимые, самолетные, корабельные, автомобильные).

- по эксплуатационным требованиям : расширение температурного диапазона, повышение вибростойкости, ударостойкости

Модуля́ция (лат. modulatio — размеренность, ритмичность) — процесс изменения одного или нескольких параметров высокочастотного несущего колебания по закону низкочастотного информационного сигнала (сообщения).

Передаваемая информация заложена в управляющем (модулирующем) сигнале, а роль переносчика информации выполняет высокочастотное колебание, называемое несущим. Модуляция, таким образом, представляет собой процесс «посадки» информационного колебания на заведомо известную несущую.

В результате модуляции спектр низкочастотного управляющего сигнала переносится в область высоких частот. Это позволяет при организации вещания настроить функционирование всех приёмо-передающих устройств на разных частотах с тем, чтобы они «не мешали» друг другу.

В качестве несущего могут быть использованы колебания различной формы (прямоугольные, треугольные и т. д.), однако чаще всего применяются гармонические колебания. В зависимости от того, какой из параметров несущего колебания изменяется, различают вид модуляции (амплитудная, частотная, фазовая и др.). Модуляция дискретным сигналом называется цифровой модуляцией или манипуляцией.