УРЧ представляют собой активные частотно-избирательные каскады приемников, работающих на фиксированной частоте или в диапазоне частот. Они применяются для обеспечения высокой чувствительности радиоприемных устройств за счет предварительного усиления сигнала и его частотной селекции.
Или по мощности,
где G вх, G н - активные составляющие проводимостей входа и нагрузки усилителя.
2.
Частотная избирательность
- главным образом по зеркальному каналу
супергетеродинных приемников (
).
3. Коэффициент шума УРЧ , который в значительной мере определяет способность приемника воспроизводить полезную информацию при малых уровнях принимаемого сигнала. С точки зрения минимального уровня шумов достаточно, чтобы коэффициент усиления по мощности УРЧ был на уровне 10-100, поэтому требуемое число каскадов обычно не превышает двух.
4. Устойчивость , характеризует отсутствие самовозбуждение усилителя.
Кроме того УРЧ по своим показателям должны обеспечивать усиление сигналов в определенном динамическом диапазоне с искажениями, не превышающими заданного уровня.
Учитывая, что УРЧ работает в режиме усиления слабых сигналов, будем считать усилительный прибор линейным активным 4-х полюсником.
В диапазоне умеренно высоких частот (f < 300 МГц) для описания свойств усилительных каскадов удобно использовать систему Y -параметров, в которой уравнение линейного 4-полюсника записывается в виде (5.1)
(5.1)
где
,
и
,
-
напряжения
и токи на входе и выходе 4-полюсника
соответственно,
-
параметры в режиме короткого замыкания
по входу и выходу 4-полюсника.
Наиболее общая схема резонансного каскада может быть представлена в виде (Рис. 5.1).
На рисунке представлена схема резонансного усилителя, в которой к контуру L C частично подключены как выход транзистора VT 1 , так вход следующего каскада на транзисторе VT 2 . В обоих случаях применяется автотрансформаторная связь. Однако в таком усилителе указанные связи могут быть реализованы и другим известным способом, например, трансформаторным.
Элементы
R
1 ,
R
2 ,
,
применяются для задания режима работыактивного
элемента VT
1
по
постоянному току. Необходимая фильтрация
по питанию
осуществляется фильтром R
ф ,
C
ф .
Расчет
этих элементов производится
аналогично, как это делается для
апериодических усилителей. Поэтому
вопросы задания рабочей точки резонансных
усилителей здесь не рассматриваются.
Из представленной эквивалентной схемы следует, что
(5.2)
При использовании двойной автотрансформаторной связи проводимость нагрузки может быть представлена как
, (5.3)
где,
.
Коэффициент усиления по напряжению можно получить, если использовать выражения (5.1) и (5.2). С учетом этих выражений можно получить
(5.4)
Из последнего выражения можно получить
(5.5)
Откуда получаем
, (5.6)
где - полная эквивалентнаяпроводимость контура.
Резонансные
свойства каскада определяются частотной
характеристикой
проводимости 
,
а
последняя соответствует резонансной
характеристике
колебательного контура LC
.
Эквивалентное
сопротивление колебательного
контура, включенного в коллекторную
цепь транзистора можно представить
следующим образом
Полное
эквивалентное сопротивление контура
можно представить
, (5.8)
где
-обобщенная
расстройка контура.
Коэффициент усиления каскада на резонансной частоте можно представить как
, (5.9)
где
.
-
коэффициент трансформации от выхода
первого активного
элемента до входа следующего.
С учетом этого для резонансного каскада получим следующее выражение для коэффициента усиления
(5.10)
По структуре полученная формула соответствует формуле для определения коэффициента усиления апериодического каскада, только в качестве нагрузки в последнем используется резонансный контур.
Так как усилитель радиочастоты находится на входе радиоприемного устройства, то его шумовые характеристики и динамический диапазон в основном определяют характеристики всего устройства в целом. Именно коэффициент шума усилителя радиочастоты определяет чувствительность радиоприемника.
Усиление сигналов в приёмнике может происходить до преобразователя частоты, т.е. на принимаемой частоте, и после преобразователя - на промежуточной частоте. Усиление на частоте принимаемого сигнала осуществляется с помощью усилителей радиочастоты (УРЧ). Кроме усиления должна обеспечиваться и частотная избирательность. Диапазонные УРЧ должны иметь контуры с переменной настройкой. Они чаще всего выполняются одноконтурными. Активным элементом усилителя служит полевой или биполярный транзистор в дискретном или интегральном исполнении. В усилителях промежуточной частоты предпочтение отдается биполярным транзисторам вследствие обеспечения ими более высокого коэффициента усиления. Усилители радиочастоты УРЧ повышают избирательность по зеркальному каналу и чувствительность приемника. По схемному по-строению УРЧ могут быть апериодическими или резонансными.
Апериодические УРЧ увеличивают лишь отношение сиг-нал/шум и чувствительность приемника. Наиболее часто их приме-няют в транзисторных приемниках прямого усиления на ДВ- и СВ-диапазонах. В качестве нагрузки апериодических УРЧ может служить дроссель, резистор или трансформатор. Резисторный кас-кад УРЧ прост в исполнении и настройке. В трансфор-маторных УРЧ) облегчается согласование выхода одно-го каскада со входом последующего. Кроме того, трансформаторный каскад УРЧ можно легко переделать в рефлексный.
Резонансные УРЧ обеспечивают усиление сигнала и по-вышают не только реальную чувствительность, но и избирательность по зеркальному каналу Транзисторные резонансные УРЧ в диапазонах ДВ, СВ и KB собирают по схеме с ОЭ а в УКВ-диапазоне — по схеме с ОБ.
Каскады УРЧ могут содержать один или два резонансных кон-тура. Усилитель радиочастоты с одним контуром дает меньшее уси-ление, но более прост в изготовлении и настройке. Схемы с индук-тивной связью контуров позволяют изменять связь и получать наи-большее усиление или лучшую избирательность. Изменением связи по диапазону можно несколько компенсировать неравномерность ко-эффициента передачи входных цепей.
Усилители радиочастоты УКВ-диапазона выполняют по каскадным схемам. Они имеют лучшие характеристики, чем обычные УРЧ. Первый тран-зистор включен по схеме с ОЭ, благодаря чему достигается малая входная проводимость усилителя, а второй V2 — по схеме с ОБ, что обеспечивает большой коэффициент устойчивого усиления. По посто-янному току транзисторы включены последовательно, что вызывает необходимость увеличения напряжения источника питания.
По усилению каскодный усилитель эквивалентен однокаскадному усилителю с проводимостью прямой передачи первого транзистора и нагрузкой второго. Каскодная схема используется в усили-телях диапазона метровых волн. Первый каскад схемы выгодно вы-полнять на полевом транзисторе, обладающем низким уровнем шумов и малой «ктивной входной проводимостью, при этом будет меньше шунтироваться избирательная система приемника, включен-ная на входе каскодного усилителя. Во втором каскаде предпочтите-лен дрейфовый транзистор, включаемый по схеме с ОБ и обеспечивающий наибольший устойчивый коэффициент усиления. При таком выполнении каскодной схемы усилителя повышается его коэффици-ент устойчивого усиления, существенно снижается уровень шумов, повышается избирательность тракта радиосигнала приемника, что является их преимуществом.
Аналогичными преимуществами обладают каскадные схемы (низкий уровень шумов и высокий коэффициент, устойчивого усиле-ния) на электронных лампах, обычно триодах, включаемых по схеме общий катод — общая сетка.
Так как усилитель радиочастоты находится на входе радиоприемного устройства, то его шумовые характеристики и в основном определяют характеристики всего устройства в целом. Именно коэффициент шума усилителя радиочастоты определяет . Нелинейные свойства усилителя оцениваются характеристиками IP2 и IP3. Для обеспечения высокой линейности во всех каскадах приемника используются . Очень важным параметром является точка .
В связи с микроминиатюризацией современной элементной базой и связанной с ней миниатюризацией узлов радиоприемного устройства сейчас на СВЧ возможно применение схемотехнических решений, которые ранее применялись на значительно более низких частотах. Это связано с тем, что размеры блока относительно длины волны рабочего колебания становятся меньше одной десятой длины волны и в результате при разработке этого блока можно пренебречь волновыми эффектами при распространении колебаний.
Дополнительное повышение устойчивости схемы достигается включением фильтров нижней частоты на входе и выходе транзисторного каскада. Эти фильтры расчитываются на всю полосу частот, в которой транзистор сохраняет усилительные свойства. В результате во всем диапазоне частот не выполняется баланс фаз и самовозбуждение становится невозможным. Этот же фильтр осуществляет преобразование входного и выходного сопротивления транзистора к стандартному сопротивлению 50 Ом. Входная и выходная емкость включается в состав фильтра. усилителя радиочастоты с согласующими цепями на входе и выходе приведена на рисунке 1.
В данной схеме R1 … R3 реализуют по постоянному току. Конденсатор C2 обеспечивает заземление базы транзистора по высокой частоте, а конденсатор C3 фильтрует цепи питания от помех. Дроссель L2 является нагрузкой коллектора транзистора VT1. Он пропускает ток питания в цепь коллектора VT1, но при этом развязывает источник питания по переменному току радиочастоты. Фильтры низкой частоты L1, C1 и C4, L3 обеспечивают трансформацию входного и выходного сопротивления транзистора в 50 Ом. Примененная схема фильтра низкой частоты позволяет включить в его состав входную или выходную емкость транзистора. Входная емкость транзистора VT1 совместно с емкостью C1 образует входной фильтр усилителя, а выходная емкость этого же транзистора совместно с емкостью C4 образует выходной фильтр низкой частоты.
Еще одной распространенной схемой усилителей радиочастоты является схема каскодного усилителя. В этой схеме последовательно соединяются два — и с общей базой. Подобное решение позволяет дополнительно уменьшить значение проходной емкости усилителя. Наиболее распространенной схемой каскодного усилителя является схема с гальванической связью между транзисторными каскадами. Пример схемы каскодного усилителя радиочастоты, собранной на биполярных транзисторах, приведен на рисунке 2.
В данной схеме, точно так же как и в схеме, приведенной на рисунке 1, применена схема эмиттерной стабилизации рабочей точки транзистора VT2. Конденсатор C6 обеспечивает устранение отрицательной обратной связи на частоте принимаемого сигнала. В ряде случаев этот конденсатор не ставится для увеличения линейности усилителя и для того, чтобы уменьшить коэффициент усиления усилителя радиочастот.
Конденсатор C2 обеспечивает заземление базы транзистора VT1 по переменному току. Конденсатор C4 осуществляет фильтрацию источника питания по переменному току. Резисторы R1, R2, R3 определяют рабочие точки транзисторов VT1 и VT2. Конденсатор C3 развязывает базовую цепь транзистора VT2 по постоянному току от предыдущего каскада (входного полосового фильтра). Нагрузкой цепи коллектора по переменному току служит дроссель L2. Как и в схеме усилителя радиочастоты с общей базой на входе и выходе каскодного усилителя применены фильтры низкой частоты. Основное их назначение — обеспечить трансформацию входного и выходного сопротивления в значение 50 Ом.
Обратите внимание, что для подведения входного напряжения и напряжения питания, а также снятия выходного усиленного напряжения достаточно трех выводов схемы. Это позволяет выполнить усилитель в виде микросхемы буквально с тремя выводами. Такие корпуса обладают минимальными габаритами, а это позволяет избежать волновых эффектов даже на достаточно высоких частотах рабочего сигнала.
В настоящее время схемы усилителей радиочастоты выпускаются рядом фирм в виде готовых микросхем. Для примера можно назвать такие микросхемы как RF3827, RF2360 фирмы RFMD, ADL5521 фирмы Analog Devises, MAALSS0038, AM50-0015 фирмы M/A-COM. В данных микросхемах применяются арсенид-галлиевые полевые транзисторы. Верхняя усиливаемая частота может достигать значения 3ГГц. При этом коэффициент шума колеблется в пределах от 1,2 до 1,5 дБ. Пример принципиальной схемы усилителя радиочастоты с применением интегральной микросхемы MAALSS0038 фирмы M/A-COM приведен на рисунке 3.
Радиочастотные сигналы в диапазоне от сотен мегагерц до единиц гигагеры можно усиливать только при условии очень малых габаритов микросхем и тщательной проработки конструкции печатной платы. Именно поэтому все фирмы производители усилителей радиочастот приводят примеры печатных плат. Пример конструкции печатной платы усилителя радиочастоты, собранной на микросхеме MAALSS0038 фирмы M/A-COM, приведен на рисунке 4.
Следует отметить, что часто между выходом усилителя радиочастоты и входом преобразователя частоты часто ставят фильтр, подобный входному фильтру, как это показано на рисунке 2 . Он позволяет увеличить подавление побочных каналов, образующихся в преобразователе частоты. Так как входное сопротивление фильтра и выходное сопротивление усилителя радиочастоты равны 50 Ом, то их сопряжение обычно не вызывает проблем.
Литература:
Вместе со статьей "Усилители радиочастоты" читают:
При одновременной работе приемника и передатчика возникают вопросы электромагнитной
совместимости этих узлов...
http://сайт/WLL/Duplexer.php
При проектировании радиоприемных устройств базовых станций
возникает требование распределять энергию сигнала с антенны на входы нескольких радиоприемников.
http://сайт/WLL/divider.php
Входной фильтр является одним из важнейших узлов радиоприемника...
Чем более сложный фильтр будет применен в качестве входного фильтра, тем выше удастся получить качество радиоприемника...
http://сайт/WLL/InFiltr/
Усилители радиочастоты похожи на другие усилители. Они отличаются, главным образом, диапазоном рабочих частот, занимающим область от 10 до 30 мегагерц. Существуют два класса усилителей радиочастоты: перестраиваемые и неперестраиваемые. Основной функцией неперестраиваемого усилителя является усиление, а его амплитудно-частотная характеристика должна занимать как можно более широкий диапазон радиочастот. В перестраиваемом усилителе высокое усиление должно достигаться в узкой области частот или на отдельной частоте. Обычно, когда говорят об усилителях радиочастоты, подразумевают, что они являются перестраиваемыми, если не оговорено другое.
В радиоприемных устройствах усилители радиочастоты служат для усиления сигнала и выделения сигнала, соответствующей частоты. В передающих устройствах усилители радиочастоты служат для усиления сигнала на определенной частоте перед его подачей в антенну. В основном, приемные усилители радиочастоты являются усилителями напряжения, а передающие усилители радиочастоты являются усилителями мощности .
В приемных цепях усилитель радиочастоты должен обеспечивать достаточное усиление приемного сигнала, обладать низким собственным шумом, обеспечивать хорошую избирательность и иметь плоскую амплитудно-частотную характеристику на выбранных частотах.
На рисунке изображен усилитель радиочастоты, используемый в радиоприемнике с амплитудной модуляцией.
Конденсаторы C 1 и С 4 настраивают антенну и выходной трансформатор Т 1 на одну и ту же частоту. Входной сигнал с помощью индуктивной связи подается на базу транзистора Q 1 . Транзистор Q 1 работает, как усилитель класса А. Конденсатор С 4 и трансформатор Т 1 обеспечивают высокое усиление по напряжению на резонансной частоте для цепи коллекторной нагрузки. Трансформатор имеет отвод для обеспечения хорошего согласования импедансов с транзистором.
Усилитель радиочастоты , используемый в телевизионном высокочастотном тюнере.
Цепь настраивается катушками индуктивности L 1A ; L 1B и L 1C . При повороте ручки переключателя каналов в цепь включается новый набор катушек. Это обеспечивает усиление в необходимой полосе частот для каждого канала. Входной сигнал попадает в перестраиваемую цепь, состоящую из L 1A , С 1 и С 2 . Транзистор Q 1 работает, как усилитель класса А. Выходная коллекторная цепь представляет собой двойной перестраиваемый трансформатор. Катушка L 1B настраивается конденсатором С 4 , а катушка — L 1C конденсатором С 7 Резистор R 2 и конденсатор С 6 образуют развязывающий фильтр, предотвращающий попадание радиочастот в блок питания и их взаимодействие с другими цепями.
В радиоприемниках с амплитудной модуляцией входной радиосигнал преобразуется в сигнал постоянной промежуточной частоты. После этого используется усилитель промежуточной частоты с фиксированной настройкой для увеличения уровня сигнала до необходимой величины. Усилитель промежуточной частоты — это одночастотный (узкополосный) усилитель . Обычно для усиления сигнала до необходимого уровня используются два или три каскада усиления промежуточной частоты. Чувствительность приемника определяется усилением усилителя промежуточной частоты. Чем выше усиление, тем выше чувствительность. На рисунке показан типичный усилитель промежуточной частоты радиоприемника амплитудномодулированных сигналов.
Промежуточная частота равна 455000 герц.
На рисунке изображен усилитель промежуточной частоты телевизионного приемника.
В таблице, сравниваются частоты радио и телевизионных приемников.
министерство образования Российской Федерации
Московский физико-технический институт
(государственный университет)
Кафедра радиотехники
Усилитель радиочастоты на биполярном
транзисторе
Лабораторная работа
по курсу Радиотехника
Москва 2003
УДК 621.396.6
Усилитель радиочастоты на биполярном транзисторе.
Лабораторная работа по курсу Радиотехника / Сост.
. – М.: МФТИ, 2003. – 24 с.
© Московский физико-технический институт
государственный университет), 2003
1. Введение 4
2. Каскад на биполярном транзисторе с ОЭ 5
2.1. Принципиальные электрические схемы каскада 5
2.2. Параметры и характеристики каскада 6
2.3. Выбор параметров каскада в многоканальном
усилителе 11
3. Самовозбуждение УРЧ 13
4. Каскодная схема 15
4.1. Принципиальные электрические схемы 15
4.2. Параметры и характеристики схемы 16
5. Экспериментальная оценка выходного и входного
импедансов каскада УРЧ 17
6. Задание 19
6.1. Исследуемые схемы 19
6.2. Расчет каскадов 20
6.3. Измерения и исследования 21
Список литературы 23
1. Введение
Усилители радиочастоты (УРЧ) широко применяют в различных устройствах. Чаще всего их используют в качестве входных блоков радиоприемников для частотной фильтрации полезного сигнала из помех и увеличения его амплитуды. В таких случаях центральная частота спектра сигнала, как правило, существенно превышает ширину спектра и тогда УРЧ выполняет функции активного полосового фильтра. Известно значительное количество схем подобных УРЧ, содержащих разное число усилительных элементов и частотно-избирательных цепей. УРЧ может содержать единственный каскад, а может быть многокаскадным.
УРЧ обычно описывают следующими параметрами и характеристиками:
– резонансной (центральной) частотой усиливаемого участка спектра входного напряжения,
– резонансным коэффициентом усиления https://pandia.ru/text/78/219/images/image003_71.gif" width="23" height="23 src=">
– полосой пропускания https://pandia.ru/text/78/219/images/image005_58.gif" width="40" height="23">
– входным импедансом https://pandia.ru/text/78/219/images/image007_51.gif" width="81" height="21">
– выходным импедансом https://pandia.ru/text/78/219/images/image009_42.gif" width="97" height="21">
– амплитудно-частотной и фазочастотной характеристиками (АЧХ и ФЧХ).
Цель настоящей лабораторной работы – теоретически изучить, рассчитать, собрать на индивидуальной плате и экспериментально исследовать простейшие варианты УРЧ. Это – резонансный каскад на биполярном транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером (ОЭ), каско дная схема на двух транзисторах с одним колебательным контуром и двухкаскадный УРЧ, образованный последовательным соединением названных каскадов.
2. Каскад на биполярном транзисторе с ОЭ
2.1. Принципиальные электрические схемы каскада
На рис. 1а) представлена принципиальная электрическая схема каскада резонансного усилителя на биполярном транзисторе с ОЭ с частично включенным -контуром в качестве коллекторной нагрузки и с последовательным питанием коллекторной цепи. На рис. 1б) дана схема аналогичного каскада с параллельным питанием коллекторной цепи.
https://pandia.ru/text/78/219/images/image012_34.gif" width="21" height="25"> в источник питания , а переменную составляющую через конденсатор направляют мимо источника . Этим уменьшают нежелательную обратную связь между несколькими каскадами УРЧ, питаемыми от единого источника https://pandia.ru/text/78/219/images/image015_28.gif" width="20" height="24">в источник питания . В качестве импеданса используют дроссель (катушку с большой индуктивностью), резистор или последовательное соединение дросселя и резистора.
2.2. Параметры и характеристики каскада
Параметры и характеристики любого радиотехнического устройства, описывающие его свойства, обычно находят путем составления и анализа эквивалентной схемы этого устройства. Для каскада УРЧ используем эквивалентную схему по переменному току, содержащую модели источника сигнала, УЭ и нагрузки. Источник сигнала представим простейшим генератором напряжения с ЭДС и внутренним сопротивлением ..gif" width="125" height="24 src="> где р
– коэффициент включения контура, – эквивалентное сопротивление контура, 
– обобщенная частотная расстройка, https://pandia.ru/text/78/219/images/image024_23.gif" width="17" height="13 src=">1 – собственная добротность контура, 
– резонансная частота, – сопротивление потерь контура, включенное последовательно с индуктивностью .
Опишем сначала свойства каскада при идеальном транзисторе, у которого -параметры не зависят от частоты и равны: и https://pandia.ru/text/78/219/images/image033_15.gif" width="27" height="28 src=">.jpg" width="397" height="85 src=">
На основании анализа этой схемы нетрудно показать, что у рассматриваемого каскада:
– резонансная частота https://pandia.ru/text/78/219/images/image037_13.gif" width="99" height="43"> (1)
где – крутизна транзистора,
– резонансный коэффициент усиления https://pandia.ru/text/78/219/images/image044_11.gif" width="91" height="23 src=">
– входной импеданс 
– выходной импеданс левее точек https://pandia.ru/text/78/219/images/image048_11.gif" width="73" height="23 src=">
– АЧХ и ФЧХ задаются зависимостями модуля и аргумента выражения (1) от частоты.
Вместе с тем у реального транзистора -параметры зависят от частоты. В настоящей работе учтем только так называемое первое приближение этой зависимости, справедливое для частот, не превышающих нескольких значений верхней граничной частоты усиления транзистора по току и имеющее следующий вид:
https://pandia.ru/text/78/219/images/image053_10.gif" width="156" height="45 src=">
https://pandia.ru/text/78/219/images/image055_10.gif" width="157" height="45 src=">
Здесь 
– постоянная времени прямого https://pandia.ru/text/78/219/images/image058_8.gif" width="128" height="23"> – объемное сопротивление базы, – постоянная времени обратного перехода база-коллектор. Этому приближению соответствует физически наглядная П-образная эквивалентная схема транзистора (схема Джиаколетто). При ее использовании эквивалентная схема каскада приобретает вид, показанный на рис. 3.
В этой схеме в диапазоне частот применения УРЧ можно не учитывать резистор https://pandia.ru/text/78/219/images/image063_9.gif" width="32" height="23 src=">. Так, для транзистора КТ315 на частоте 1 МГц емкость порядка трех пикофарад имеет импеданс 50 кОм, а величина составляет единицы Мом..gif" width="49" height="23">
С учетом сказанного результаты анализа схемы, изображенной на рис. 3, сводятся к следующему.
Выходная проводимость части каскада, расположенной левее линии К– Э, найденная, например, в результате использования теоремы Нортона, получается равной
https://pandia.ru/text/78/219/images/image067_8.gif" width="181" height="47 src=">
Следовательно, выходной контур каскада в данном случае шунтируется резисторным выходным сопротивлением транзистора и выходной емкостью величины которых зависят от параметров транзистора, выходного сопротивления источника сигнала и частоты..gif" width="25" height="23 src=">.gif" width="43" height="21"> имеем порядка десятков кОм и порядка нескольких , а при порядка единиц кОм получаем порядка (долей–единиц) кОм, а https://pandia.ru/text/78/219/images/image063_9.gif" width="32" height="23">.
Из эквивалентной схемы каскада, показанной на рис..gif" width="32" height="23">, равен где – импеданс нагруженного выходного контура https://pandia.ru/text/78/219/images/image080_5.gif" width="136" height="23 src=">.gif" width="29" height="23 src="> Умножив и разделив выражение для на комплексное выражение получаем 
где ,
Отсюда следует, что входной импеданс каскада между точками Б–Э задается цепью, изображенной на рис. 4а), где https://pandia.ru/text/78/219/images/image090_6.gif" width="19" height="21 src="> – параллельное соединение сопротивлений и https://pandia.ru/text/78/219/images/image094.jpg" width="265" height="97">Рис. 4
Для транзисторов с очень малыми сопротивлениями элементы и практически являются входным резистивным сопротивлением https://pandia.ru/text/78/219/images/image099_5.gif" width="25 height=21" height="21"> всего каскада. В случае больших величин или при наличии дополнительного резистора https://pandia.ru/text/78/219/images/image100_5.gif" width="45 height=15" height="15"> параметры каскада и можно найти соответствующим пересчетом цепи, показанной на рис.4а), в цепь, изображенную на рис. 4б), по формулам
https://pandia.ru/text/78/219/images/image102_5.gif" width="184" height="43 src=">
где 
(Попутно заметим, что для частот < относительная расстройка имеет знак минус и величина сопротивления https://pandia.ru/text/78/219/images/image010_42.gif" width="24 height=17" height="17">-контура любого предыдущего каскада входным импедансом последующего каскада резонансная частота и усиление шунтируемого каскада падают, а полоса пропускания расширяется. Вместе с тем, правильно спроектированный каскад должен обеспечивать заданные величины и всего усилителя и максимальное усиление каждого каскада https://pandia.ru/text/78/219/images/image108.jpg" width="396" height="166">
Для обеспечения требуемой полосы пропускания каскада добротность его нагруженного контура должна быть равна https://pandia.ru/text/78/219/images/image111_4.gif" width="61" height="23 src=">.gif" width="20" height="23 src="> должна удовлетворять условию
https://pandia.ru/text/78/219/images/image114_3.gif" width="20" height="21"> и коэффициенты подключения к контуру со стороны выхода УЭ каскада и со стороны входа 2-го каскада соответственно.
Резонансное усиление каскада от его входа до входа 2-го каскада при этом равно
. (3)
Из выражений (2) и (3) при условии находятся требуемые (оптимальные) значения коэффициентов подключения
https://pandia.ru/text/78/219/images/image119_4.gif" width="101" height="28 src="> (4)
где 
Каскад с данными коэффициентами подключения иногда называют оптимально согласованным. Величина максимального резонансного усиления согласованного каскада оказывается равной
https://pandia.ru/text/78/219/images/image124_4.gif" width="133" height="43 src=">.gif" width="176" height="43 src=">.gif" width="103" height="24"> – полная емкость контура, обеспечивающая резонансную частоту каскада, равную при индуктивности катушки контура Из этих соотношений получаем следующие формулы для определения величин емкостей и https://pandia.ru/text/78/219/images/image133_3.gif" width="119" height="24">
3. Самовозбуждение УРЧ
Самовозбуждение УРЧ происходит при наличии в нем положительной обратной связи. Существует три канала такой связи. Один из них – это связь каскадов через общий источник питания Для уменьшения данной связи каскады “развязывают“ с помощью фильтрующих элементов и https://pandia.ru/text/78/219/images/image138_3.gif" width="41" height="23 src=">
Рассмотрим условия, при которых самовозбуждение УРЧ возникает именно из-за названной емкости. Впервые они были найдены российским ученым Владимиром Ивановичем Сифоровым еще в эпоху ламповой радиотехники. показал, что одиночный каскад резонансного УРЧ может возбудиться только при наличии в его входном импедансе индуктивной составляющей. Такая составляющая появляется, например, при наличии второго колебательного контура на входе каскада. Аналогичная ситуация возникает в многокаскадном УРЧ, в котором роль входного контура каждого каскада, начиная со второго, играет выходной контур предыдущего каскада.
На рис. 6 дана упрощенная эквивалентная схема каскада с двумя одинаковыми контурами, которые представлены в ней двухполюсниками с импедансами 
этих контуров (с учетом их шунтирования транзистором). УЭ представлен генератором тока Емкость – это проходная емкость каскада.
Разорвем провод схемы в точке и приложим к каскаду гармоническое входное напряжение https://pandia.ru/text/78/219/images/image144_3.gif" width="15" height="15 src=">, которое вызовет выходное напряжение 
Под влиянием суммы входного и выходного напряжений через проходную емкость потечет ток обратной связи При больших коэффициентах усиления каскада вкладом входного напряжения можно пренебречь и считать, что https://pandia.ru/text/78/219/images/image148_2.gif" width="29" height="21 src="> Если начальные фазы напряжений и окажутся равными, а амплитуда напряжения связи превысит амплитуду https://pandia.ru/text/78/219/images/image150_2.gif" width="111" height="23">когда также имеем На этой частоте импедансы обоих контуров носят индуктивный характер. Если на резонансной частоте напряжения и находятся в противофазе (сдвиг равен https://pandia.ru/text/78/219/images/image154_2.gif" width="17" height="21"> сдвиг фазы между напряжениями и равен уже сдвиг фазы между векторами и равен и сдвиг между векторами и равен В результате фазовый сдвиг между напряжениями и оказывается равным нулю, то есть обратная связь становится чисто положительной. Если при этом выполняется и второе (амплитудное) условие, то каскад УРЧ превращается в индуктивный трех-точечный https://pandia.ru/text/78/219/images/image160_2.gif" width="21" height="24">
Для устойчивости УРЧ необходимо, чтобы амплитуда напряжения была меньше амплитуды напряжения https://pandia.ru/text/78/219/images/image162_2.gif" width="85 height=25" height="25"> (7)
Таким образом, выражение (7) указывает пути борьбы с самовозбуждением из-за наличия проходной емкости УЭ. Это – соответствующие ограничения величин и
4. Каскодная схема
4.1. Принципиальные электрические схемы
Каскодная схема разработана для повышения устойчивости УРЧ к самовозбуждению, что достигается существенным уменьшением ее проходной емкости по сравнению с минимально достижимой проходной емкостью отдельного УЭ. Примеры каскодных схем с последовательным и параллельным питанием по постоянному току даны на рис. 7.
4.2. Параметры и характеристики схемы
Как видно из этих рисунков, нагрузкой 1-го транзистора, включенного по схеме с ОЭ, по переменному току является входной импеданс 2-го транзистора, включенного по схеме с общей базой (ОБ). Поскольку величина такого импеданса весьма мала по сравнению с выходным импедансом 1-го транзистора ( то 1-й транзистор каскодной схемы практически работает в режиме короткого замыкания на его выходе, а 2-й транзистор – в режиме холостого хода на его входе. Кроме того, имеем
Если теперь рассматривать оба транзистора каскодной схемы как единый УЭ, то при указанных условиях его -параметры связаны с аналогичными параметрами 1-го и 2-го транзисторов следующими соотношениями
https://pandia.ru/text/78/219/images/image171_2.gif" width="32" height="23 src=">.gif" width="55" height="23 src=">
https://pandia.ru/text/78/219/images/image175_2.gif" width="96" height="23 src=">.gif" width="21" height="23"> каскодной схемы, оценивающий степень обратной связи через проходную емкость, оказывается намного меньше, чем у одиночного транзистора, включенного по схеме с ОЭ. Это делает каскодную схему более устойчивой к самовозбуждению.
Кроме того, из-за малости величины входной импеданс каскодной схемы равен 1-го транзистора,
а выходной импеданс равен https://pandia.ru/text/78/219/images/image180_2.gif" width="37" height="21">.gif" width="19 height=21" height="21"> ненагруженного контура. Теоретический расчет этих величин громоздок и неточен, поэтому опишем методику их экспериментальной оценки.
Величины https://pandia.ru/text/78/219/images/image075_6.gif" width="33" height="21 src=">.gif" width="27" height="23 src="> определяемую суммарной емкостью контура + С П, где С П – известная емкость предварительно поставленного в контур навесного конденсатора. Вычисляем величину по формуле
https://pandia.ru/text/78/219/images/image182_2.gif" width="72" height="43 src="> (8)
где 
.
Изменением емкости С П настраиваем каскад на требуемую резонансную частоту и измеряем его полосу пропускания После этого подключаем емкостную ветвь контура к коллектору транзистора частично, как показано на эквивалентной схеме данного включения на рис. 8а). При этом величины емкостей и выбираем так, чтобы с учетом известной емкости резонансная частота каскада равнялась https://pandia.ru/text/78/219/images/image186_2.gif" width="15" height="16">= (0.2–0.8). В линейном режиме работы каскада измеряем его полосу пропускания резонансная частота 1-го каскада без подключения к нему 2-го каскада равнялась Вычисляем величину
г) считая, что для всех транзисторов h 21Э = 100, найти их начальные токи базы I бн = I кн / h 21Э,
д) выбрать ток, протекающий через делитель напряжения, составленный из резисторов R 1 и R 2, равным I д = (50–100) I бн, найти значения R 1 и R 2, учитывая также условие, что потенциал базы транзистора VT 3 относительно земли должен быть равен (U кэн + 0.6 В),
е) найти величины R р, R б1, R ф, R б2.
6.2.2. Расчет по переменному току:
а) взять в кассе две катушки с равными индуктивностями (40–60) мкГн, измерить их индуктивности на https://pandia.ru/text/78/219/images/image024_23.gif" width="17" height="13 src=">L ;
б) задаться предварительным значением коэффициента частичного подключения 1-го контура p = (0.25–0.33), определяемого соотношением его емкостей;
в) вычислить величины емкостей обоих контуров;
г) выбрать емкость остальных конденсаторов схемы порядка (0.01–1) мкФ, обеспечивая тем самым требуемую малость их импеданса на резонансной частоте.
6.3. Измерения и исследования
6.3.1. Исследование одиночных каскадов
На индивидуальной плате студента собрать каскад на транзисторе с ОЭ, подключив его контур к транзистору полностью, соединив точки 3 и 4 с помощью разделительного конденсатора С р. Собрать каскодную схему, оставив ее вход (точка 6) свободным. Измерить реальные значения I кн и U кэн обоих каскадов и проверить их соответствие заданным величинам. При необходимости добиться соответствия с точностью (10–25)% путем изменения величин R б1, R б2, R 1 и R 2.
Подключив к входу 1-го каскада (точки 1 и 2) генератор гармонического напряжения радиочастоты с амплитудой не более 20 мВ, а к точкам 5 и 2 вольтметр, измерить резонансную частоту этого каскада и проверить ее соответствие расчетной величине https://pandia.ru/text/78/219/images/image018_26.gif" width="20" height="21 src="> на АЧХ и ФЧХ каскада на транзисторе с ОЭ.
6.3.2. Исследование двухкаскадного УРЧ
Используя результаты измерений в п. 6.3.1, материалы
п. 2.3 и формулы (4)–(6), рассчитать параметры согласованного каскада на транзисторе с ОЭ, нагруженного каскодной схемой. При этом требуемую полосу пропускания 1-го каскада задать равной его полосе при полном включении контура и при отсутствии подключения ко 2-му каскаду.
Собрать описанный двухкаскадный усилитель. При наличии его самовозбуждения принять меры к ликвидации генерации.
У устойчивого двухкаскадного усилителя в линейном режиме его работы измерить величины резонансного усиления и полос пропускания 1-го каскада и всего усилителя в целом.
При домашней подготовке к зачету и оформлении отчета:
а) освоить вывод расчетных формул (4), (8), (9)–(11),
б) сопоставить полученные значения всех измеренных величин с теоретически ожидаемыми.
Список литературы
1.
Основы радиоэлектроники. – М.: Радио и связь, 1990.
2. ,
Радиоприемные устройства. В 2-х ч. – М.: Сов. радио, 1961.–1963.
Лабораторная работа
