Г.Тяпичев
«Как построить УКВ радиостанцию». Глава 3.
Глава 3. Блоки
усилителей ПЧ
Вместо
предисловия
В этой главе будут
рассмотрены некоторые из часто употребляемых радиолюбителями схем Усилителей
Промежуточной Частоты (УПЧ). УПЧ и усилители высокой частоты бытовых
радиовещательных приемников обязательно снабжены системой Автоматической
Регулировки Усиления (АРУ). В связных приемниках АРУ также имеется, но
операторы довольно часто предпочитают работать с выключенной
АРУ. Например, при приеме сигналов цифровых видов связи мною АРУ всегда
отключается. Так бывает меньше сбоев.
Цепи АРУ частично усложняют
схему усилителя, что может создавать трудности малоопытному читателю. После
приобретения читателем определенного опыта в создании простых конструкций
радиоприемников ввести в эту аппаратуру цепочки АРУ никакого труда не составит.
Исходя из этих рассуждений,
я не буду в приводимых схемах УПЧ и УВЧ показывать цепочки АРУ.
Да простит меня
многоопытный читатель!
Фильтры ПЧ
Промежуточная частота (ПЧ),
об усилении которой пойдет речь в этой главе, создается в результате смешивания
двух высокочастотных сигналов. Как известно, на выходе смесителя любого типа
присутствуют сразу четыре сигнала, одним из которых является, необходимый для
нашей дальнейшей обработки, сигнал ПЧ. Чтобы выделить этот полезный сигнал и
ослабить остальные три сигнала необходимо специальное устройство, называемое
фильтром. В данном случае речь идет о фильтрации сигналов ПЧ.
Многоконтурный ФСС
Существует большое
разнообразие фильтров, используемых в качестве фильтров ПЧ. В однополосных
связных приемниках для фильтрации сигналов ПЧ применяют или ЭлектроМеханические
Фильтры (ЭМФ) или различной степени сложности кварцевые фильтры. В более
простых конструкциях, где не требуется очень узкая полоса пропускания такого
фильтра, используются фильтры из обычных LC контуров. Такие фильтры могут быть одноконтурными либо многоконтурными. Из этих
названий понятно, что одноконтурный фильтр состоит из одного LC колебательного контура, настроенного
на заданную частоту ПЧ, что
двухконтурный фильтр состоит из двух LC
контуров, связанных между собой либо индуктивной, либо емкостной связью. И так
далее. Фильтры, состоящие из нескольких связанных между собой
контуров носят названия Фильтры Сосредоточенной Селекции (ФСС).
На рис. 3.1 изображена
принципиальная электрическая схема, в которой имеется смеситель и трехконтурный
ФСС.
Рис. 3.1. ВЧ смеситель и ФСС
Смеситель выполнен на
полевом транзисторе VT1. На затвор транзистора через
конденсатор С1 поступает принятый антенной и усиленный
сигнал, а на исток подается сигнал от гетеродин. На резисторе R2, находящемся в стоке транзистора, присутствуют все
четыре, полученные в результате смешения, сигнала.
Детали этой схемы могут
иметь следующие значения.
Катушка L1 имеет параметры, соответствующие частоте
примененного гетеродина. Контурные катушки L2, L3 и L4 одинаковые, намотаны на оправке диаметром 8 мм.
Каждая из катушек имеет 7 витков провода ПЭЛ-0,9, длина катушки –
20 мм.
Конденсаторы С6, С8 и С10 – подстроечные, типа
КПК, емкостью 8 … 30 пкФ.
Расстояние между
экранирующими перегородками – 18 мм.
С такими параметрами
элементов фильтр может перестраиваться в полосе частот примерно 60 … 130
МГц.
Многоконтурные ФСС
позволяют создать нужную для работы аппарата ширину полосы пропускания фильтра.
Заданная ширина полосы достигается путем
взаимной расстройки контуров фильтра и изменением
величин емкостных связей между контурами. В радиолюбительских журналах бывает
много статей на тему настройки ФСС, поэтому я не буду останавливаться на этом
процессе.
Фильтр с положительной ОС
Фильтр с положительной
обратной связью может обеспечить довольно узкую полосу пропускания без
применения кварцевых резонаторов и ЭМФ. При этом такой фильтр может перестраиваться
по частоте, подстраиваться исходя из условия наилучшего приема сигналов. Это
исключительно важно при приеме слабых сигналов в условиях помех. На
рис. 3.2 изображена принципиальная схема одного из вариантов такого
фильтра.
Рис. 3.2. Фильтр ПЧ с положительной
ОС
В основе фильтра (рис. 3.2) лежит
разработанная мною несколько лет тому назад схема усилителя высокой частоты с
положительной обратной связью (так называемый Q – умножитель), предназначенная для работы в качестве преселектора связных радиоприемников старого типа. Преселектор оказался исключительно удачной конструкцией и
широко применяется радиолюбителями.
Принцип работы устройства
следующий.
Транзистор VT1 выполняет роль смесителя
(аналогично предыдущей схеме), в стоке которого на резисторе R4 выделяются все четыре частоты, образовавшиеся при
смешении входного сигнала и сигнала гетеродина. Через конденсатор C3 очень маленькой емкости (величина емкости
подбирается при настройке) сигналы с R4
поступают на контур L2C6, настроенный на необходимую
нам ПЧ. Через переменный резистор R6
катушка контура L2 связана положительной обратной связью с истоком транзистора VT2. Величина этой положительной связи регулируется
резистором R6. Таким образом, контур L2C6 совместно с
транзистором VT2 является усилителем с
Положительной Обратной Связью (ПОС). При
увеличении ПОС
усиление каскада увеличивается и одновременно значительно увеличивается добротность контура L2C6. Если величина положительной обратной связи
превысит определенную «пороговую» величину, то усилитель превратится в
генератор и станет генерировать частоту, на которую настроен в данный момент
контур L2C6.
При максимальной величине
сопротивления R6 величина обратной связи малая и
увеличивается при уменьшении сопротивления резистора R6.
Непременное условие – резистор
R6 должен быть безындукционным, т.е. непроволочным.
Отвод в катушке L2 должен быть примерно от 1/3 числа витков, считая от
заземленного конца. Но, при применении этого фильтра на частотах порядка 100
МГц, точку подключения отвода придется приближать к середине катушки.
Число витков L2 выбирается исходя из заданной
величины ПЧ и может быть определено с помощью программы INDUKTIW или по таблицам, имеющимся в [7] и [8].
Транзистор VT3 играет роль обыкновенного апериодического усилителя,
в образовании ПОС не участвует и может быть заменен
любым, более для вас удобным.
Настройка фильтра очень
простая и начинается с того, что контур L2C6 настраивается
на заданную частоту ПЧ. При этом движок резистора R6 должен находиться в крайнем правом (по схеме)
положении, т.е. этот резистор должен иметь максимально возможную для него
величину сопротивления. Затем на входы смесителя следует подать исходный сигнал
и сигнал от гетеродина, после чего конденсатором С6
подстроить контур L2C6 на максимальное значение ПЧ. При перемещении движка
резистора R6 влево должно наблюдаться
усиление сигнала до определенной (максимальной) величины, после чего сигнал
резко пропадает и вместо него слышны довольно сильные шумы. Это говорит о том,
что увеличивающаяся положительная обратная связь перешла порог генерации и усилитель на VT2 стал работать генератором. Следует заметить
положение движка резистора R6,
соответствующее порогу начала генерации и не переходить его.
Если при перемещении движка
резистора R6 генерация не возникает даже при
нулевой емкости R6, то следует:
1. попробовать перенести отвод на катушке L2 выше (по схеме), т.е. ближе к середине катушки;
2. отсоединить резистор R9 от земли и в точку разрыва включить высокочастотный
дроссель, который может представлять из себя катушку
из провода ПЭЛ-0,3 длиной 150 мм, навитую на каркасе 3…4мм.
3. если при
перемещении движка резистора R6 нет никакого
изменения сигнала, то следует заменить транзистор VT2.
Узкополосые
усилители ПЧ
УПЧ на КТ350
В коротковолновых любительских
радиоприемниках уже давно принято последний УПЧ (после
ЭМФ или кварцевого фильтра) выполнять на двухзатворных
полевых транзисторах типа КП350. Считается, что один каскад на таком
транзисторе может создать усиление, которое получается при двух каскадах
усиления на биполярных транзисторах. На рис. 3.3 показана схема двухкаскадного УПЧ, выполненная на двухзатворных
полевых транзисторах.
Рис. 3.3. УПЧ на двух КП350
Схема почти полностью
соответствует второму УПЧ, опубликованному в [17].
Сигнал от ЭМФ через
конденсатор С1 подается на первый затвор транзистора VT1. Контуры L1C5 и L2C10 включены полностью в цепи стоков соответствующих
транзисторов. На вход «Управление» можно подавать напряжение, которое может
регулировать усиление УПЧ. Сюда же (впоследствии) можно будет включить и
цепочку АРУ.
Усиление этого УПЧ зависит
от свойств задействованных транзисторов, поэтому приводить какие-то значения не
имеет смысла. Но многие радиолюбители считают эту схему УПЧ лучшей.
УПЧ по каскодной схеме
На рис. 3.4
показана принципиальная электрическая
схема каскодного УПЧ. Собственно усилитель работает
на транзисторах VT1 и VT2, а
транзистор VT3 служит для регулировки
усиления каскада. Все три транзистора включены последовательно по постоянному
току.
Рис. 3.4. Каскодный
УПЧ
Сигнал подается через
конденсатор С1 на базу транзистора VT1, который включен по схеме ОЭ и имеет в истоке
регулирующий транзистор VT3. Большая
величина выходного сопротивления каскодного каскада
позволяет включать контур L1C4 полностью в цепь коллектора VT2. Выходное
напряжение для низкоомной нагрузки снимается с выхода
1, а для высокоомной нагрузки – с выхода 2.
При величине ПЧ порядка 6
МГц можно рассчитывать на усиление этого усилителя по напряжению порядка 1000
раз. При этом катушка L1 имеет
индуктивность порядка 8мкГн, диаметр каркаса 7 мм (с сердечником СЦР-1), число
витков 36. Катушка L2 имеет 9 витков и намотана у
заземленного по ВЧ конца катушки L1.
Для создания нормального
усиления по ВЧ следует к этому усилителю добавить еще точно такой
же, но без транзистора VT3.
Широкополосные
УПЧ
УПЧ вариант 1
УПЧ1
– так условно назвал я один из вариантов широкополосных усилителей
промежуточной частоты, встречающийся в любительской практике. Схема этого
варианта УПЧ представлена на рис. 3.5.
Рис. 3.5. Схема УПЧ – вариант 1
Трехкаскадный УПЧ по этой
схеме дает усиление по напряжению около 70 дБ, в зависимости от параметров
примененных транзисторов. Схема не имеет каких либо
особенностей. Все транзисторные каскады включены по схеме с общим эмиттером.
Усиление УПЧ увеличивается при уменьшении величины резистора R5. Значительное увеличение усиления может привести к
самовозбуждению усилителя. Нужно быть внимательным при настройке и без
необходимости величину R5 не изменять.
УПЧ по этой схеме может применяться в большом диапазоне
промежуточных частот. Для работы на более высоких частотах усиление будет
падать и придется подбирать более высокочастотные транзисторы.
УПЧ вариант 2
Схема еще одного из
вариантов широкополосного УПЧ представлена на рис. 3.6.
Рис. 3.6. Схема УПЧ – вариант 2
Схема УПЧ этого варианта
может обеспечить чуть большее усиление по сравнению с усилением УПЧ по схеме
варианта 1.
В первом каскаде усилителя
транзисторы VT1 и VT2 включены по каскодной
последовательной схеме типа ОЭ – ОБ (общий эмиттер – общая база). Это
классическая каскодная схема. Транзисторы VT3 и VT4 тоже
включены по каскодной схеме, но здесь применена уже
схема типа ОК – ОБ (общий коллектор – общая база). Связь между двумя каскодными каскадами непосредственная (без переходного
конденсатора). Транзистор VT4 будет
работать в режиме усилителя – ограничителя, если в его коллекторную цепь
последовательно с резистором R10 вместо
резистора R13 включить катушку L1 детектора отношений (рис. 2.2). На
рис. 3.2. эта катушка обозначена как L.
УПЧ вариант 3
На рис. 3.7
представлен еще один из вариантов широкополосного усилителя. Схему этого УПЧ я
взял от телевизионного приемника «Темп-738».
Рис. 3.7. Схема УПЧ звукового сопровождения
бытового телевизора
Эта схема заинтересовала
меня несколько необычными режимами работы транзисторов. Контур L3C – это контур
от детектора отношений. Телевизионный приемник с этим УПЧ работал у меня долго
и с хорошим качеством звука.