Схемотехника радиоприемников. Практическое пособие.
Глава 2. Широкополосный тракт на 10 кГц ... 30 МГц с ПЧ = 50 МГц
Знакомство с типичной схемотехникой радиоприемников логичнее всего начать с рассмотрения не слишком сложной, т.е. хорошо обозримой в целом системы. В качестве такой системы возьмем широкополосный тракт простого супергетеродинного профессионального переносного приемника для SSB- и телеграфной связи (J3E и J2B соответственно), который, правда, слишком сильно “выделяется” среди других аналогичных систем своим почти двенадцатиоктавным диапазоном перестройки по частоте. Это как раз тот случай, когда, учитывая возможность широкой рабочей перестройки тракта и крайнее непостоянство его текущего состояния, нужно найти “золотую середину” между помехоустойчивостью и чувствительностью приемника. Реализация требуемых значений этих параметров, взятых по отдельности, как правило, не вызывает проблем, однако их совместная реализация на должном уровне всегда требует гораздо большей изобретательности.
2.1. Схема с согласованным импедансом (50 Ом)
Прежде всего рассмотрим блок-схему на рис. 2.1.
Блоки верхнего ряда соответствуют функциональным элементам приемного тракта, состоящего из отключаемого ВЧ-аттенюатора, фильтров сосредоточенной ВЧ-селекции, пассивного высокоуровневого смесителя, двухкаскадного малошумящего высокоуровневого предусилителя ПЧ, фильтров сосредоточенной ПЧ-селекции (основной селекции) и еще одного малошумящего высокоуровневого предусилителя ПЧ. В нижнем ряду - функциональные элементы выходного тракта гетеродина: фильтр нижних частот, предварительный (буферный) усилитель и усилитель мощности сигнала гетеродина. Согласование функциональных элементов блок-схемы друг с другом осуществляется на одинаковом для всех элементов входном и выходном импедансе -50 Ом; это так называемая “50-омная схемотехника”, которая благодаря оптимальной возможности непосредственного помодульного измерения параметров и в связи с некоторыми другими очень интересными преимуществами имеет большое практическое значение.
С помощью приведенной блок-схемы можно сформулировать определение широкополосного тракта приемника: широкополосный тракт включает в себя часть приемного тракта, ответственную за помехоустойчивость и чувствительность приемника, т. е. все функциональные элементы от разъема подключения антенны и (по меньшей мере) до фильтров основной (по ПЧ) селекции, а также блок смесителя с гетеродином (здесь имеются в виду простые системы без синтезатора частот).
На рис. 2.2 представлена принципиальная электрическая схема части приемного тракта от разъема подключения антенны до выхода смесителя, включая также функциональные элементы гетеродина, указанные выше на блок-схеме.
Резистор, включенный параллельно входным зажимам, предотвращает накопление статического заряда на гальванически изолированной от земли антенне. Следующий за ним конденсатор (на 1 кВ) обеспечивает защиту приемника при высокой статической ЭДС подключаемой к нему антенны. Отключаемый (вручную) аттенюатор позволяет уменьшить уровень слишком мощных сигналов на 20 дБ. Блок фильтров (который пока рассматривается просто как “черный ящик” и более подробно обсуждается в следующем абзаце), во-первых, осуществляет селекцию принимаемых сигналов и поддерживает в допустимых пределах ВЧ-мощность, нагружающую последующие каскады, а во-вторых, ослабляет сигналы по зеркальным каналам приема и по ПЧ. Дополнительному ослаблению сигналов по ПЧ способствует также эллиптический фильтр нижних частот, расположенный сразу же за блоком фильтров; одна из двух частот, на которых пропускание этого эллиптического фильтра обращается в нуль, выбрана равной 50 МГц (т.е. совпадает с ПЧ). RC-звено, установленное на входе смесителя, выполняет функцию фильтра верхних частот -диплексера, реализующего оптимальные условия согласования импедансов в полосе подавления фильтра нижних частот. В качестве смесителя используется высокоуровневый широкополосный кольцевой смеситель на диодах Шотки; для этого смесителя IPi3 = + (25... 26) дБм при мощности подводимого к нему сигнала гетеродина + 17 дБм. Сигнал гетеродина, поступающий в широкополосный тракт с уровнем — 19 дБм, проходит через эллиптический фильтр нижних частот, усиливается до необходимой мощности каскадом, состоящим из широкополосного усилителя на ИМС и усилителя мощности, охваченного ООС, и поступает на смеситель. Поскольку развязка между входом и выходом усилителя на ИМС весьма значительна (> 60 дБ), то с целью реализации оптимальных условий работы смесителя обеспечивается строгая апериодичность переходного процесса в системе усилитель мощности-смеситель.
Принципиальная электрическая схема блока фильтров, о котором говорилось выше, представлена на рис. 2.3.
Эллиптический фильтр нижних частот, полосовой фильтр, полученный каскадным соединением эллиптических фильтров нижних и верхних частот, а также восемь субоктавных полосовых фильтров предназначены для относительно узкополосной и, следовательно, практически нечувствительной к перегрузкам от внеполосных сигналов селекции. Для четкого (без интермодуляционных помех) переключения фильтров используется язычковое реле, управляемое сигналами синтезатора частоты в блоке настройки через промежуточный сильноточный преобразователь двоично-десятичного кода в десятичный код. Кроме того, на входе блока фильтров имеется аттенюатор с затуханием 30 дБ; он управляется от системы АРУ приемника и подключается с помощью реле в тех случаях, когда отношение сигнал/шум становится больше 45 дБ. Этот несколько необычный способ управления усилением тракта используется для устранения интермодуляционных искажений при работе аттенюатора на p-i-n-диодах, которому все еще отдается предпочтение в системах АРУ и который обычно располагается за фильтрами основной селекции.
На рис. 2.4 приведена вторая часть принципиальной схемы приемного тракта (первая часть дана на рис. 2.2).
Сигнал ПЧ, поступающий в эту часть схемы в точке В, подается на полосовой фильтр-диплексер, который, с одной стороны, выполняет функцию активной нагрузки-поглотителя для внеполосных компонент выходного сигнала смесителя, а с другой стороны, обеспечивает избирательную (по ПЧ) раскачку следующего за ним предусилителя и согласование последнего с выходом смесителя. Каждая ступень каскада предварительного усиления ПЧ представляет собой усилитель с очень низким уровнем собственных шумов, охваченный цепью ООС. По существу предусилители 1 и 2 отличаются друг от друга только максимально возможной величиной неискаженного выходного сигнала, которая в свою очередь определяется величиной коллекторного тока транзистора. Для рассматриваемого каскада IPi3 ³ + 24 дБм. Эта величина по меньшей мере на 3 дБ превышает значение параметра 1Р03 для смесителя; следовательно, данный каскад практически не оказывает влияния на значение 1Р03 смесителя. Для второго предусилителя IP03 ³ 41,5 дБм. Встроенный между предусилителями инвертор импедансов (эквивалент четвертьволновой линии для сигнала ПЧ) способствует определенному выравниванию коэффициента усиления по мощности каскада; существенное различие этого параметра для внутри- и вне-полосных компонент сигнала обусловлено очень сильным различием внутри- и внеполосных значений импеданса фильтра основной селекции. В этой связи следует заметить, что введение в усилитель ООС, необходимой для обеспечения высокой помехоустойчивости, неизбежно ухудшает развязку его входа и выхода, которая, как правило, не превышает 2 дБ; в результате сильная частотная зависимость входного импеданса фильтра основной селекции более или менее отчетливо сказывается даже на работе смесителя, очень чувствительного к характеру своей нагрузки. Три восьми-резонаторных кварцевых фильтра основной селекции переключаются с помощью язычковых реле. За этими полосовыми фильтрами, определяющими односигнальную избирательность приемника, следует еще один малошумящий предусилитель ПЧ с цепью ООС. Ввиду спектральной определенности сигнала раскачки помехоустойчивость этого предусилителя может быть невелика (на уровне предусилителя 1), если учесть, что уже при мощности полезного сигнала на зажимах антенны свыше — 85 дБм (12,6 мкВ/50 Ом) автоматически подключается разгрузочный аттенюатор с затуханием 30 дБ, установленный в блоке ВЧ-фильтров.
2.2. Технические характеристики и комментарии
Рассмотренный приемный тракт при отключенных аттенюаторах, т. е. при максимально возможной чувствительности, обеспечивает коэффициент усиления по мощности сигнала 7 дБ. Объективно это довольно малая величина, однако она вполне достаточна для того, чтобы можно было пренебречь шумами следующего каскада-усилителя (на ИС) системы АРУ с полевыми транзисторами на входе.
В табл. 2.1 приведены основные технические характеристики типичного приемника с рассмотренным широкополосным трактом.
Значения параметров IP3 ³ + 25 дБм и RF » - 130 дБм ( » 0,07 мкВ/50 Ом), а также (как следствие) DB3 > 100 дБ достигаются практически в стандартных условиях производства; в то же время улучшение этих параметров возможно лишь с использованием очень дорогостоящих технических методов. При этом все, что можно сделать, самым оптимальным образом реализуя возможности данного широкополосного тракта, так это снизить F на 2 дБ и повысить 1Р3 приблизительно на 10 дБ. Однако, учитывая наличие в спектре рабочих частот приемника довольно сильных внешних шумов, необходимость уменьшения коэффициента шума кажется по меньшей мере весьма сомнительной; а с другой стороны, во многих конкретных эксплуатационных ситуациях оба параметра IP и параметр КР можно улучшить, надлежащим образом уменьшая слишком высокую чувствительность приемника с помощью подключаемых вручную аттенюаторов, устанавливаемых на входе широкополосного тракта.
Все это говорит о том, что стремление к абсолютной оптимизации всегда влечет за собой необходимость использования большого числа нестандартных и, следовательно, экономически “трудно перевариваемых” технологических методов. В этом отношении рассматриваемая схема представляет собой пример отличного “компромисса” между уровнем технических характеристик и стоимостью.
