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

23 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

45348. Моделирование в музыке 40.5 KB
  В памяти композитора существует множество различных мелодий накопленных им в течение жизни. И естественно полагать что фрагменты этих мелодий отдельные музыкальные фразы музыкальные инварианты осознанно или неосознанно используются композитором в его творческом процессе. Далее следует прочитать следующую за найденной фразой ноту приписать ее к текущей музыкальной фразе а первую ноту из этой фразы выдать в файл формируемых мелодий и вычеркнуть из текущей фразы так чтобы в ней попрежнему оставалось четыре ноты. В результате в файле...
45349. Модели представления знаний 64 KB
  Декларативная модель представления знаний основывается на предположении что проблема предоставления некоторой предметной области решается независимо от того как эти знания потом будут использоваться. Такую модель можно разделить на две части: статически описательные модели знаний и механизм вывода оперирующий этими структурами и практически независимый от их содержательного наполнения. Декларативные модели представления знаний Семантические сети Семантические сети были предложены американским психологом Куиллианом.
45350. Инструментарии построения экспертных систем 30 KB
  Инструментальное средство разработки экспертных систем – это язык программирования используемый инженером знаний или и программистом для построения экспертной системы. Оболочки экспертных систем Системы этого типа создаются как правило на основе какойнибудь экспертной системы достаточно хорошо зарекомендовавшей себя на практике. При создании оболочки из системыпрототипа удаляются компоненты слишком специфичные для области ее непосредственного применения и оставляются те которые не имеют узкой специализации.
45351. Интеллектуальные базы данных 29.5 KB
  Развитие приложений ИС требует реализации более легкого и удобного доступа к базам данных. Другой продукт это КЕЕ Connection Intelli Corportion который переводит команды КЕЕ КЕЕ Knowledge Engineering Environment в запросы БД и автоматически поддерживает тракт данных флуктуирующих туда и обратно между базой знаний КЕЕ и реляционной БД использующей SQL. Другими преимуществами такой интеграции являются способности использовать символьное представление данных и улучшения в конструкции операциях и поддержании СУБД.
45352. Методы распознавания образов 27 KB
  Этот метод требует либо большого количества примеров задачи распознавания с правильными ответами либо специальной структуры нейронной сети учитывающей специфику данной задачи. Методы распознавания образов В целом можно выделить три метода распознавания образов: Метод перебора. Например для оптического распознавания образов можно применить метод перебора вида объекта под различными углами масштабами смещениями деформациями и т.
45353. Пандемониум Селфриджа 56 KB
  Демоны – это относительно автономные сущности выполняющие элементарные функции. На самом нижнем уровне находятся демоны данных или демоны изображения рис. Вычислительные демоны обрабатывая визуальную информацию от демонов данных вырабатывают признаки и передают их демонам понимания. Демоны понимания всего лишь вычисляют взвешенные суммы сигналов поступающих от вычислительных демонов.
45354. Методы обучения нейросетей 62 KB
  Эта теория ставит своей задачей поиск минимума некоторой целевой функции функционала  которая зависит от нескольких переменных представленных в виде вектора w=[w1 w2 . Все градиентные методы теории оптимизации основаны на разложении целевой функции w в ряд Тейлора в окрестности некоторой начальной точки w nмерного пространства переменных: где p – вектор вдоль которого строится разложение в ряд Тейлора gw – вектор градиента целевой функции . Согласно методу наискорейшего спуска реализованному в алгоритме обратного...
45355. Рекуррентные сети 91.5 KB
  В связи с этим были предприняты попытки дополнить искусственные нейронные сети обратными связями что привело к новым неожиданным результатам. Таким образом под воздействием входных сигналов х1 и х2 на выходе сети в момент времени t вырабатываются сигналы y1t и y2t а в следующий момент времени под воздействием этих сигналов подаваемых на вход вырабатываются новые выходные сигналы y1t1 и y2t1. Для всякой рекуррентной сети может быть построена идентичная сеть без обратных связей с прямым распространением сигнала поэтому для...
45356. Направления исследований в области искусственного интеллекта 30.5 KB
  Второй подход в качестве объекта исследования рассматривает системы искусственного интеллекта. Третий подход ориентирован на создание смешанных человекомашинных или как еще говорят интерактивных интеллектуальных систем на симбиоз возможностей естественного и искусственного интеллекта. Сообщения об уникальных достижениях специалистов в области искусственного интеллекта суливших невиданные возможности пропали со страниц научнопопулярных изданий много лет назад.