Главная | Научная деятельность | Издания | Входной тракт радиоприёмных устройств. Бокк О.Ф., Родионов Э.Н., Чернолихова В.П. / 2010

Научная деятельность

Входной тракт радиоприёмных устройств. Бокк О.Ф., Родионов Э.Н., Чернолихова В.П. / 2010
Входной тракт радиоприёмных устройств УДК 621.396.6
Б–784

Бокк О.Ф., Родионов Э.Н., Чернолихова В.П. Входной тракт радиоприёмных устройств. – Воронеж : Изд-во ОАО «Концерн «Созвездие», 2010. – 178 с. : ил. ISBN 978-5-900777-25-2

В книге изложена общая теория работы активных каскадов, которая позволяет решать широкий круг задач разработки и анализа усилителей различного класса, преобразователей частоты, умножителей и т.п.

На основе приведённой теории решены вопросы температурной и режимной стабильности работы каскадов.

Значительная часть книги посвящена рассмотрению основных нелинейных (таких как блокирование и взаимная модуляция) и шумовых характеристик каскадов входного тракта радиоприёмного устройства: усилителя высокой частоты и смесителя.

На основе анализа модели идеализированного каскада определены предельные возможности усилителей и смесителей по динамическому диапазону. Проведены теоретические исследования условий блокирования и взаимной модуляции. Получены аналитические выражения для динамического диапазона реальных каскадов. Определены оптимальные режимы работы, в которых динамические возможности указанных каскадов реализуются наиболее полно.

Рассмотрено влияние шумов гетеродина на избирательность приёмного устройства.

Разработаны теоретические основы инженерного расчёта каскадов входного тракта приёмника.

Рецензенты: д.т.н. Николаев В.И., д.ф.-м.н. Балашов Ю.С., к.т.н. Жуков А.П.

Введение

Важнейшим элементом решения проблемы электромагнитной совместимости (ЭМС) устройств и систем радиосвязи являются технические способы, реализуемые при разработке и изготовлении радиоприемных и радиопередающих устройств. Основу технических способов, применяемых в радиоприемных устройствах, составляет совершенствование характеристик высокочастотного тракта, приводящее к повышению порогов восприимчивости к помехам в широкой полосе частот. Такое совершенствование может осуществляться, в первую очередь, за счет снижения нелинейных искажений (эффектов) в активных устройствах высокочастотного тракта.

Для уменьшения нелинейных искажений наиболее широкое распространение получил метод отрицательной обратной связи [38]. Никакой другой метод повышения линейности не привлекал к себе столь пристального внимания и не обсуждался столь широко в печати.

Эффективное решение задачи уменьшения искажений возможно только на основе подробного теоретического анализа нелинейного преобразования сигнала в активном устройстве. Для этого необходимо адекватное модельное представление исследуемого нелинейного устройства и соответствующее математическое описание. Многообразие используемых в аппаратуре активных элементов и схем их включения, сложный характер происходящих процессов, включающих в себя наряду с усилением еще и частотные преобразования сигнала, их зависимость от множества параметров не позволяют найти общее теоретическое описание нелинейного преобразования сигнала, подходящее для всех случаев. Это является одним из сдерживающих факторов разработки аппаратуры, удовлетворяющей требованиям ЭМС.

Авторы на протяжении длительного времени непрерывно занимались проблемой нелинейных искажений и их минимизацией. Результаты проведённых исследований опубликованы в материалах конференций, в отдельных разделах книжных изданий, в публикациях, выходивших в разное время в периодической печати. Было найдено множество интересных и оригинальных решений, выделены целые классы устройств, для которых может быть использован единый подход. Все полученные результаты подтверждены экспериментально, многие внедрены в серийно выпускаемые изделия, однако по ряду причин результаты проведенных исследований не были обобщены и представлены в отдельном издании.

Отсутствие последовательного изложения материала в едином издании в значительной степени усложняет создание аппаратуры, обеспечивающей решение проблемы ЭМС. Работающие в этой области специалисты вынуждены искать, анализировать и ссылаться на большое количество редких, порой труднодоступных изданий, в которых часто используются оригинальные обозначения, и при изложении нового материала пересказывать уже известный.

Целью авторов является подготовка к изданию удобного и доступного пособия, систематизирующего и обобщающего результаты многолетних исследований по направлению теоретического описания нелинейных явлений в активных устройствах и его практическому применению при разработке устройств с высокой линейностью.

Структурно книга состоит из четырех глав.

В первой главе предложено методическое деление нелинейных эффектов на два класса: грубые и тонкие, характеризующие режим большого и малого сигнала соответственно, – введено понятие идеального усилителя, определены предельные возможности линеаризации усилительных устройств. Рассмотрена работа устройства в режиме большого сигнала, проведено математическое описание грубых нелинейных эффектов, получены выражения для определяемых ими параметров усилительных устройств.

Во второй главе рассмотрены тонкие нелинейные эффекты. С помощью разработанной методики анализа таких эффектов найдено аналитическое описание нелинейного преобразования сигнала в усилительных устройствах с отрицательной обратной связью (ООС), имеющих один, два и более активных элементов с произвольным типом нелинейности. Введен принцип последовательного наращивания, позволяющий анализировать нелинейные свойства многокаскадных устройств.

Получено математическое описание нелинейного преобразования сигнала в каскадах с нелинейной ООС. Определены условия полной компенсации тонких нелинейных искажений в таких устройствах.

Найдена математическая модель, в явном виде представляющая нелинейное преобразование сигнала в устройствах с параллельной ООС.

В третьей главе рассмотрены возможности обеспечения максимального динамического диапазона входных усилителей радиоприёмных устройств. (Динамический диапазон – это параметр, характеризующий как нелинейные свойства, так и шумовые характеристики, определяющие чувствительность входного усилителя и, соответственно, радиоприёмного устройства в целом). Определены оптимальные режимы работы каскадов усиления как для динамического диапазона по блокированию, связанного с грубыми нелинейными явлениями, так и для динамического диапазона по интермодуляции, связанного с тонкими нелинейными явлениями. Проведено сравнение каскадов на биполярных и полевых транзисторах с идеальным каскадом.

В четвёртой главе на основании самых общих предположений о преобразователе сигналов – сохранение неизменными при преобразовании амплитудной и фазовой модуляций – определены требования к амплитудам не основных гармонических составляющих и к мощности шума в составе напряжения гетеродина.

Разработана методика расчета коэффициента шума смесителей с предположением равномерности спектра шумов на входе (упрощенная, пессимистическая оценка) и без этого предположения, с учетом неравномерности спектральной плотности входных шумов (реальная оценка).

Определён динамический диапазон преобразователей, как и усилителей, необходимым коэффициентом усиления по мощности, КПД и коэффициентом шума. Проведено сравнение с идеальным каскадом.

Рассмотрено влияние помехи на коэффициент шума и коэффициент преобразования.

Помимо динамического диапазона приёмника в книге используются понятия двух- и трёхсигнальной избирательности.

Двухсигнальная избирательность определяется как отношение к сигналу напряжения помехи, действующей на соседнем канале (или при фиксированной расстройке), при котором отношение сигнал/шум на выходе уменьшается в заданное число раз. Понятия двухсигнальной избирательности и динамического диапазона по блокированию идентичны, за исключением указания заданной расстройки помехи относительно сигнала при измерении двухсигнальной избирательности.

Трёхсигнальная избирательность, как и динамический диапазон по интермодуляции определяются при одновременном воздействии на вход приёмника сигнала и двух равных по амплитуде помех, частоты которых находятся на соседних каналах и связаны соотношением. Численная характеристика трёхсигнальной избирательности – это выражение (в децибелах) отношения амплитуды помех к номинальной чувствительности при условии, что воздействие помех ухудшает соотношение сигнал/шум в два раза.

Содержание

Введение 5
Глава 1. Предельный динамический диапазон устройств 9
1. Эволюция представлений об Информации 15
1.1. Идеальный по динамическому диапазону усилитель 9
1.2. Математическое описание работы транзисторного каскада в нелинейном режиме 19
1.3. Влияние инерционности транзистора на его работу при большом сигнале 27
1.4. Грубые нелинейные эффекты. Параметры усилителя в режиме отсечки, вызванной мощной помехой 30
1.5. Нелинейные искажения при ограничении 37
1.6. Шумовые свойства транзисторного каскада при отсечке коллекторного тока 44
1.7. Выводы 52
Глава 2. Тонкие нелинейные эффекты 54
2.1. Математическое описание нелинейного преобразования сигнала в устройстве с одним активным элементом 54
2.2. Нелинейное преобразование сигнала в устройстве с двумя активными элементами 64
2.3. Устройства с нелинейной обратной связью 74
2.4. Нелинейные искажения в устройствах с параллельной отрицательной обратной связью 80
2.5. Выводы 87
Глава 3. Оптимизация усилительных каскадов по динамическому диапазону 88
3.1. Оптимизация транзисторного усилителя по динамическому диапазону в области грубых нелинейных эффектов 88
3.2. Динамический диапазон по взаимной модуляции усилителя высокой частоты на биполярном транзисторе 98
3.3. Динамический диапазон усилителя с глубокой обратной связью 106
3.4. Динамический диапазон каскадов радиоприёмного устройства на полевых транзисторах 112
3.5. Выводы 126
Глава 4. Смесители радиочастот 128
4.1. Влияние шумов гетеродина на двухсигнальную селективность приёмника 128
4.2. Смеситель на основе дифференциального каскада 133
4.3. Математическое описание работы смесителя с отсечкой коллекторного тока 137
4.4. Балансный смеситель по схеме с дополнительной симметрией 139
4.5. Коэффициент шума транзисторного смесителя (входной шум белый) 150
4.6. Коэффициент шума транзисторного смесителя (входной шум окрашенный) 157
4.7. Выводы 164
Приложение 1. Обобщённый анализ схемы эмиттерного повторителя с дополнительной симметрией 166
Приложение 2. Динамический диапазон селективных цепей с электронной перестройкой 169
Список литературы 174