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

84486. Рецептори, їх класифікація та збудження 45.25 KB
  Рецептори – спеціалізовані структури що забезпечують: а сприйняття інформації про дію подразника; б первинний аналіз цієї інформації сила якість час дії новизна подразника. За наявністю спеціалізованої сенсорної клітини: первинні – інформація про дію подразника сприймається безпосередньо нервовим закінченням; вторинні – інформації про дію подразника сприймається спеціалізованою сенсорною рецепторною клітиною а далі передається на нервове закінчення. За наявністю чи відсутністю допоміжних структур: вільні нервові закінчення –...
84487. Пропріорецептори, їх види. Будова та функції м’язових веретен 43.25 KB
  Пропріорецептори М’язів м’язові веретена Суглобових сумок Сухожилків тільця Гольджі Види рецепторів Адекватний подразник Деформація Розтягнення Розтягнення Ступінь та швидкість розтягнення м’язів Ступінь згинання розгинання в суглобі Ступінь та швидкість скорочення м’яза так як при скороченні сухожилки розтягуються Контролюють М’язові веретена – первинні механорецептори що мають складну структуру. Адекватним подразником ІФВ є розтягнення центральної частини – ядерної сумки. Таке розтягнення та збудження спіралевидного нервового...
84488. Механізми і закономірності передачізбудження в центральних синапсах 44.76 KB
  Аксосоматичні Аксоаксональні Аксодендритні Дендродендритичні Збудливі Гальмівні Хімічні Електричні Механізм передачі збудження через центральний аксосоматичний хімічний синапс полягає в наступному: ПД поширюється по мембрані аксона далі по мембрані пресинаптичній підвищення проникності пресинаптичної мембрани для іонів С2 вхід їх в нервове закінчення за градієнтом концентрації вихід медіатора в синаптичну щілину дифузія медіатора до постсинаптичної мембрани взаємодія з мембранними циторецепторами збільшення...
84489. Види центрального гальмування. Механізми розвитку пре- та постсинаптичного гальмування 43.78 KB
  Механізми розвитку пре та постсинаптичного гальмування. Гальмування – активний фізіологічний процес. Гальмування в ЦНС Постсинаптичне Пресинаптичне За локалізацією За електрофізіологічною природою Гіперполяризаційне Деполяризаційне За будовою нейронних ланцюгів Зворотнє Пряме Постсинаптичне гіперполяризаційне гальмування.
84490. Сумація збудження і гальмування нейронами ЦНС 48.02 KB
  Взаємодія збудження та гальмування на тілі кожного окремого нейрона відбувається шляхом сумації просторової та часової. В залежності від переважання сумації ЗПСП чи ГПСП нейрон може перебувати в трьох станах: збудження – характеризується генерацією ПД на мембрані аксонного горбика в результаті переважання сумації ЗПСП деполяризація мембрани дійшла до критичного рівня: чим інтенсивніше протікає сумація ЗПСП тим швидше деполяризація доходить до Екр тим частіше ПД в РРН тобто тим сильніше збудження нейрона. Таким чином за допомогою...
84491. Рухові рефлекси спинного мозку, їх рефлекторні дуги, фізіологічне значення 45.37 KB
  У складі задніх рогів спинного мозку переважають вставні нейрони. Біла речовина спинного мозку представлена волокнами висхідних та низхідних шляхів. Контроль на рівні спинного мозку Рецептори шкіри Вісцерорецептори ангіорецептори.
84492. Провідникова функція спинного мозку. Залежність спінальних рефлексів від діяльності центрів головного мозку. Спінальний шок 43.05 KB
  Біла речовина спинного мозку передні бокові та задні канатики складається з нервових волокон які формують провідні шляхи. Основними висхідними шляхами є: 1. Шлях Голя – розташований в медіальній частині заднього канатика. Шлях Бурдаха – розташований в латеральній частині заднього канатика.
84493. Рухові рефлекси заднього мозку, децеребраційна ригідність 48.79 KB
  Вони носять назву надсегментарних утворень так як впливають на м’язи не прямо а через мотонейрони сегментарних структур – рухові ядра спинного мозку і черепномозкових нервів. Задній мозок отримує і переробляє всю аферентну інформацію що надходить від спинного мозку оскільки всі специфічні висхідні шляхи від спинного мозку входячи в стовбур мозку задній та середній мозок віддають коллатералі гілочки до ретикулярної формації тут продовжується обробка аферентної інформації. В задньому мозку розміщені 4 вестибулярні ядра медіальне...
84494. Рухові рефлекси середнього мозку, їх фізіологічне значення 44.55 KB
  Середній мозок СрМ за участі сітчастої речовини опрацьовує аферентну інформацію яка поступає в спинний та задній мозок. Нова інформація поступає в СрМ від зорових та слухових рецепторів. На основі опрацьовання інформації від усіх цих рецепторів СрМ здійснює контроль за станом зовнішнього та внутрішнього середовища організма. Важливими надсегментарними руховими ядрами СрМ є: 1 червоні ядра – від них інформація від нейронів спинного мозку передається по шляхах що перехрещуються руброспінальні шляхи – елемент ЛНС; 2 ретикулярна формація;...