22346

Входные каскады РПТ. Высокочастотные фильтры, УРЧ

Лекция

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

С точки зрения минимизации вносимых приемником шумов следовало бы в качестве первого каскада использовать малошумящий усилитель МШУ имеющий максимальный коэффициент усиления и минимальный коэффициент шума. Современные МШУ имеют коэффициент шума до 0. В диапазоне частот 450 мГц МШУ имеет коэффициент шума 2. Суммарный коэффициент шума в последовательном включении МШУ фильтр рассчитывается по 1.

Русский

2013-08-04

247.5 KB

24 чел.

Входные каскады РПТ. Высокочастотные фильтры, УРЧ

Чувствительность  приемника.

Чувствительность приемника определяется по известной формуле:

      1.1

Как следует из формулы 1.1,  для получения максимальной чувствительности необходимо, чтобы шум, вносимый приемником, был минимальный. Известно, что шум, вносимый в усиливаемый сигнал последовательно включенными  пассивными и активными устройствами, определяется по формуле:

                                    1.2

Из формулы 1.2 следует,  первый каскад имеет самое  влияние на общий  коэффициент шума. Влияние второго каскада слабее, а третий, при достаточно большом усилении двух предыдущих, вообще не влияет на коэффициент шума. Следует стремиться  максимально повысить усиление первого каскада  и минимизировать его коэффициент шума.  С точки зрения минимизации  вносимых приемником шумов следовало бы в качестве первого каскада использовать малошумящий усилитель (МШУ),  имеющий максимальный коэффициент усиления и минимальный коэффициент шума.  Современные МШУ имеют коэффициент шума  до 0.5 дБ  в СВЧ диапазоне и порядка 1.5 дБ в УКВ  диапазоне.  При этом обеспечивается коэффициент усиления до 20 дБ.

Пример.  В диапазоне частот 450 мГц  МШУ имеет коэффициент шума 2.2 дБ при усилении 16 дБ,  узкополосный входной фильтр с   потерями в полосе пропускания порядка 1.5 дБ.

Суммарный коэффициент шума в последовательном включении МШУ –фильтр, рассчитывается  по 1.2 с учетом того, что для любого пассивного устройства  G=1/N.  В результате формула 1.2 преобразуется к виду:

                                                          1.3

Как и следовало ожидать, при достаточно большом коэффициенте усиления МШУ  дополнительные шумы, вносимые фильтром, пренебрежительно малы.

   Однако на практике схема  с МШУ непосредственно на входе приемника используется только в исключительных случаях при работе в диапазоне частот, где практически отсутствуют  помехи и сторонние мощные  сигналы.  При работе в УКВ  или нижнем СВЧ диапазоне, где плотность радиосредств очень велика,   приходится  использовать  фильтр ВЧ   на входе МШУ.

Избирательность  приемника

Очевидно, что  интермодуляционная избирательность приемника определяется степенью нелинейности  входного каскада приемника (малошумящего усилителя).  Действительно, при воздействии на вход приемника  двух мощных мешающих сигналов  на нелинейности  входного элемента образуются  комбинационные частоты  в соответствии с известной формулой (рисунок 1):

              1.4

Рисунок  - Интермодуляционные искажения

Чем больше  степень нелинейности входного усилительного транзистора, тем большей амплитуды комбинационные составляющие будут генерироваться на этой нелинейности.  Именно из-за необходимости максимального подавления мощных мешающих сигналов,  самих по себе находящихся вне рабочего диапазоне частот приемника, но способных генерировать на входной нелинейности МШУ комбинационные составляющие, которые могут быть в диапазоне рабочих частот приемника, и необходима установка фильтра высокой частоты на входе  МШУ.  

Пример.  При использовании   такого же, как и раньше, фильтра на входе МШУ для  повышения интермодуляционной избирательности суммарный коэффициент шума будет равен:

                                                 1.5

Из сравнения  1.3  и 1.5 следует, что установка фильтра на входе  МШУ привела к  ухудшению предельно возможного соотношения сигнал/шум на  примерно 0.8  дБ  по сравнению с 1.3  дБ при использовании только одного фильтра на входе  МШУ.  

Поэтому с точки зрения оптимизации одновременного выполнения требований по интермодуляционной избирательности и коэффициенту шума следует использовать схему, в которой входной фильтр разделен на две части, одна из которых установлена  на входе МШУ, а другая на его выходе.  

Фильтр на входе МШУ реализуется с минимально возможными потерями  и  минимальной величиной запирания, которая обеспечивает выполнение требований по интермодуляционной избирательности.  Однако затухание, вносимое входным фильтром, может оказаться недостаточным по требованиям подавления зеркальной частоты приема (особенно при низкой промежуточной частоте, когда зеркальная частота приема находится близко от несущей).  Поэтому  после МШУ устанавливается еще один фильтр, в котором допустимы большие потери,  по и большее запирание.

Пример.  Полагаем, что первый более широкополосный фильтр имеет потери 0.5 дБ, а второй фильтр – 1 дБ. Тогда суммарный коэффициент шума в структуре фильтр-МШУ-фильтр будет равен:

                                              1.6

Полученный выигрыш составляет 1 дБ по сравнению с вариантом 1.5, что совсем не мало, хотя эта цифра и достаточно далека от идеального случая  1.3. При этом, как и  ранее, потери второго фильтра на выходе МШУ практически не влияют на суммарный коэффициент шума.

Также очевидно, что чем больше линейный диапазон  МШУ, тем  меньшей амплитуды комбинационные составляющие будут генерироваться.  Как мера линейности  усилительного каскада используются два параметра:  точка компрессии  усиления  по уровню 1 дБ  (output power at 1 dB gain compression,  Р1dB)  и  точка перегиба характеристики выходной мощности  по комбинациям  третьего порядка (third order intercept  point,  IP3).    Значение Р1дБ для типовых  микросхем МШУ не менее –2 дБ и может достигать 5 .... 8 дБ,  величина IP3, как правило,  на 10 дБ выше.

Подчеркнем еще раз, что:

  •  Избирательность приемника по зеркальному каналу  определяется  только входным фильтром приемника.  
  •  Интермодуляционная избирательность приемника (или, иначе двухсигнальная избирательность или избирательность по комбинациям третьего порядка) определяется входным фильтром и  степенью нелинейности (динамическим диапазоном)  МШУ .
  •  Избирательность приемника по ложным каналам отчасти определяется входным ВЧ фильтром, но в большей степени, фильтром промежуточной частоты.
  •  Избирательность по соседнему  каналу определяется исключительно фильтром промежуточной частоты.

МШУ

Малошумящие усилители обычно характеризуются тремя основными параметрами:  коэффициентом шума NF , коэффициентом усиления G,  точкой перегиба усилительной характеристики   усиления  по уровню 1 дБ  (output power at 1 dB gain compression)  Р1,  и  точка перегиба характеристики выходной мощности  по комбинациям  третьего порядка IP3 (third order intercept  point).  

Рассмотрим более подробно определение этих параметров, их взаимосвязь и типичные величины для различного класса устройств.

Коэффициент шума NF

Коэффициент шума для любого устройства определяется как отношение сигнал/шум на выходе устройства к отношению сигнал/шум на входе устройства:

                                                                                              1.7

Как правило,  коэффициент шума выражается в децибеллах:

                                                                                          1.8

Коэффициент шума на малошумящий транзистор или малошумящий усилитель определяются  а технических данных на устройство и, как правило, находятся в пределах от 0.5 дБ (для СВЧ транзисторов) до  3....4 дБ  для малошумящих усилителей с очень большим коэффициентом усиления и большим динамическим диапазоном.  

Коэффициент шума транзистора 1 дБ означает, что соотношение сигнал/шум на выходе транзистора ухудшается на 1 дБ и вместо, например, 12 дБ для входного сигнала становится равным 11 дБ для выходного сигнала.

Любое пассивное устройство c потерями имеет коэффициент шума, равный обратной величине его коэффициента передачи.  Так, например,  фильтр с коэффициентом передачи  А= -2 дБ  имеет  коэффициент шума, равный NF =2 дБ.

Коэффициент усиления и точка перегиба усилительной характеристики (точка компрессии)  по уровню 1 дБ

Как и любая физически реализуемая функция, выходной сигнал усилителя является нелинейной функцией от воздействия и представляется в виде бесконечного степенного ряда  от входного сигнала:

                                                             1.9

Для идеального усилителя все  коэффициенты  Gn  равны нуля за исключением  G1.

Для малого уровня сигналов равенство  Pout(p)=G1*p  выполняется с очень хорошей точностью.   При повышении уровня входного сигнала  величина выходного сигнала растет медленнее, общий коэффициент усиления падает.  Точка, при  которой  разница между реальным выходным сигналом Pout(p) и идеальным G1*p становится равной 1 дБ, называется точкой перегиба  усилительной характеристики (или точкой компрессии)  по уровню 1 дБ:

                                                                          1.10

 Точка перегиба характеристики выходной мощности  по комбинациям  третьего порядка IP3

Параметр  IP3 характеризует  степень нелинейности  усилителя с точки зрения генерации  новых комбинационных составляющих.  Если на усилитель одновременно воздействуют два сигнала с различной частотой, то уравнение принимает вид:

                                       1.11

Квадратичный  компонент  в 1.11 приводит к генерации выходных сигналов с суммарной и разностной частотой и амплитудой, пропорциональной  .   Характеристику с максимально квадратичной  зависимостью используют в смесителях сигналов и детекторах огибающей.

Кубический компонент  в 1.11  приводит к появлению комбинаций третьего порядка с частотами    и амплитудами, пропорциональными  .  Такие комбинации обычно  рассматриваются  как паразитные, поскольку эти комбинационные частоты попадают в область спектров исходных сигналов.  Разумеется,  в область спектра исходных сигналов попадают также и другие  комбинации: пятые, седьмые и т.д., но из амплитуды заметно меньше.

Параметр  IP3  определяется  как  амплитуда двух  входных сигналов различной частоты и равной амплитуды,  при которых  генерированная этими сигналами комбинационная составляющая равна  амплитуде  выходного сигнала, если бы  имело  место  абсолютно линейное усиление. Величина комбинационной составляющей при равных амплитудах входных сигналов равна, очевидно,  .  Амплитуда выходного сигнала при абсолютно линейном усилении равна   .  Параметр  IP3 определяется  как амплитуда А при условии:

                                                                                           1.12

Из уравнения 1.12 следует, что амплитуды комбинационных составляющих растут значительно быстрее, чем амплитуда полезного выходного сигнала:  величина выходного сигнала в логарифмическом  представлении равна ,  величина комбинационной составляющей равна .  Другими словами,  выходной сигнал возрастает со скоростью  , а комбинационные составляющие со скоростью  .  

При графическом представлении точка IP3 определяется как точка пересечения идеальной  зависимости амплитуды выходного сигнала от входного с зависимостью амплитуды комбинационных составляющих от входного сигнала (рисунок 2, 3).   

Рисунок  – Точка перегиба выходной мощности по комбинациям третьего порядка IP3

(a- линейный и b-логарифмический масштабы)

Определение  точки IP3 как  амплитуды входного сигнала, при котором выполняется условие 1.12, является наиболее распространенным.  Однако в некоторых источниках  можно найти определение точки IP3 как амплитуда выходного сигнала, при котором выполняется условие 1.12.   Как видно из рис.2,  эти два значения отличаются друг от друга на величину линейного коэффициента усиления  прибора.

Как правило, величина IP3 на 10 .... 15 дБ выше, чем точка компрессии  характеристики усиления 1 дБ.

Варианты реализации интегральных МШУ

1) Биполярная технология

Рисунок  - МШУ во включении по схеме с ОЭ

Рисунок  -Двухкаскадный МШУ и схема его включения

Рисунок  - МШУ с трансформаторной отрицательной ОС

Рисунок  - МШУ во включении по схеме с ОБ

2) КМДП технология

 


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

22427. Матрицы, системы линейных уравнений 659 KB
  Матрицы системы линейных уравнений План 1. Сложение матриц и умножение матрицы на число. Элементарные преобразования матрицы. Приведение матрицы к ступенчатому виду.
22428. Матрицы. Системы линейных уравнений. Прямые. Плоскости. Кривые и поверхности второго порядка 1.91 MB
  Прямые на плоскости Уравнение линии на плоскости. Каноническое уравнение эллипса. Каноническое уравнение гиперболы. Каноническое уравнение параболы.
22429. СТРУКТУРА АПК И ЕЕ ХАРАКТЕРИСТИКА 47.5 KB
  СТРУКТУРА АПК И ЕЕ ХАРАКТЕРИСТИКА Структура АПК и соотношение отраслей. Территориальная и продуктовая структура АПК и ее характеристика Производственная и социальная инфраструктура АПК Организационноэкономический механизм хозяйствования в АПК 1. Структура АПК и соотношение отраслей. АПК характеризуется особой сложностью.
22430. ОРГАНИЗАЦИОННЫЕ ФОРМЫ КООПЕРАЦИИ ПО ПРОИЗВОДСТВУ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ПРОДУКЦИИ 163 KB
  Межхозяйственные предприятия основы их создания и функционирования. Сельскохозяйственные предприятия выполняющие функцию МХП 4. К частным признакам относятся: глубина и устойчивость производственноэкономических связей между предприятиями организациями участвующими в кооперации; направление деятельности производство продукции переработка торговля производственное и бытовое обслуживание; специализация в рамках отдельной отрасли или территории; границы правовой и хозяйственной самостоятельности участников кооперации полное...
22431. СУЩНОСТЬ И ОБЪЕКТИВНЫЕ ПРЕДПОСЫЛКИ РАЗВИТИЯ АГРОПРОМЫШЛЕННОЙ ИНТЕГРАЦИИ 154.5 KB
  Агропромышленные предприятия 2. Агропромышленные предприятия Агропромышленные предприятия это производственнохозяйственные единицы осуществляющие силами своего коллектива производство сельскохозяйственной продукции ее переработку а в ряде случаев и реализацию. В составе агропромышленного предприятия как сельскохозяйственное так и промышленное производство теряют юридическую самостоятельность и становятся новым производственным подразделением нового комбинированного предприятия имеют общий уставной фонд единый...
22432. СОЗДАНИЕ И ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ СПК В РЕСПУБЛИКЕ БЕЛАРУСЬ 86 KB
  Сельскохозяйственный кооператив является юридическим лицом и имеет следующие правомочия: создавать представительства и филиалы; осуществлять виды деятельности предусмотренные законом; иметь в собственности покупать или иным образом приобретать продавать закладывать и осуществлять иные вещные права на имущество и земельные участки в том числе переданные ему в виде паевого взноса в паевой фонд кооператива; создавать резервный и другие неделимые фонды кооператива и вкладывать средства резервного фонда в банки и другие кредитные учреждения...
22433. ОСНОВЫ СОЗДАНИЯ И ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ КООПЕРАТИВОВ ЗА РУБЕЖОМ 277.5 KB
  В США кооперативам принадлежит 15 всего экспорта значительная доля рынка принадлежит потребительским кооперативам в Дании 33 в Норвегии 25. В мировой практике сложились два типа сельскохозяйственных кооперативов: кооперативы производителей называемые также обслуживающими или вертикальными кооперативами и производственные кооперативы называемые также артелями или горизонтальными кооперативами. Второй тип кооперативов производственных предполагает объединение крестьян для совместного производства продукции растениеводства...
22434. МЕЖОТРАСЛЕВЫЕ ИНТЕГРАЦИОННЫЕ СВЯЗИ В ПРОДУКТОВЫХ ПОДКОМПЛЕКСАХ 243.5 KB
  К продовольственному комплексу относятся отрасли или подотрасли а также виды деятельности материального производства при наличии следующих условий: прямого влияния производства на достижение основных целей комплекса; межотраслевых связей по поставкам и использованию продукции; обратных связей между отрасльюпотребителем и отрасльюпоставщиком. объединения отраслей подотраслей видов деятельности взаимоувязанных в экономическом технологическом отношении в процессе производства конечных продуктов. Формирование продуктовых подкомплексов...
22435. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ КООПЕРАЦИИ 117 KB
  ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ КООПЕРАЦИИ 1. Сущность кооперации. Формы и виды кооперации. Понятие межхозяйственной кооперации и направления ее развития.