По результатам предварительного расчета исходными данными для проектирования УПЧ являются:
Коэффициент усиления по напряжению УПЧ Кu=22
Напряжение на выходе УПЧ Uвых=0,1..0,2 В
Ослабление по соседнему каналу σск=12 Дб
Полоса пропускания ΔF=45 кГц
Фильтрующий элемент – полосовой LC фильтр.
Разнос соседних каналов согласно[1] Δfск=10 кГц
Коэффициент шума активного элемента не более 4,5 Дб
В качестве активного элемента был выбран биполярный транзистор BC413, параметры которого приведены в [3]. Данный транзистор подходит нам как по частоте единичного усиления, так и по шумовым и мощностным параметрам. Схема УПЧ построена по схеме с ОЭ для обеспечения необходимой величины Ku. После усилителя, который является апериодическим, включена избирательная цепь – полосовой LC фильтр. Полосовой фильтр рассчитан с помощью программы MicroCAP 9.0 (подпрограмма расчета пассивных фильтров), исходя из необходимого σск, ΔF и Δfск.
Расчет транзисторного каскада по постоянному току был взят из [5] и [6], и приведен ниже.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| ne menee |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Напряжение питания E_p было выбрано стандартным, и составило 12 В. Затем в программе MicroCAP 9.0 были построены необходимые ВАХи транзистора BC413, представленные на рисунках 3-7, и по ним определены h-параметры. Расчетные h-параметры практически совпали с параметрами, указанными в даташите транзистора. Далее, при заданном выходном напряжении каскада U_out_AC, необходимом для нормальной работы детектора, был произведен расчет по постоянному току. Найдены были выходной и входное сопротивление каскада, а также коэффициент усиления по напряжению Ku.
Рисунок 3 – Зависимость тока коллектора Ic от напряжения коллектор – эммитер Uсe
Рисунок 4 – Зависимость тока базы Ib от напряжения база – эммитер Ube
Рисунок 5 – Зависимость тока коллектора Ic от напряжения база – эммитер Ube
Рисунок 6 – Зависимость тока базы Ib от напряжения база – эммитер Ube в увеличенном виде для определения h12
Рисунок 7 – Зависимость тока коллектора Iс от напряжения коллектор – эммитер Uсe в увеличенном виде для определения h22
Далее было произведено моделирование каскада с ОЭ на БТ в программе MicroCAP 9.0. Схема представлена на рисунке 8. Входное напряжение составило 10 мВ. Графики напряжения на выходе каскада представлены на рисунке 9.
Рисунок 9 – Схема усилительного каскада на БТ по схеме с ОЭ
Рисунок 10 – Входные и выходные напряжения усилительного каскада
При моделировании коэффициент усиления по напряжению Ku составил 50 раз. Это вызвано влиянием подключенного эквивалентного сопротивления следующего каскада. Ku постоянен при изменении входного напряжения в пределах от 1 мВ до 100 мВ. Искажений формы сигнала на выходе при данных значениях входного напряжения не наблюдалось.
АЧХ усилителя представлена на рисунке 11. Видно, что полоса пропускания составляет от 500 кГц до 75 МГц. Промежуточная частота попадает в линейную часть АЧХ. Завал по краям полосы пропускания возникает из-за паразитных емкостей и индуктивностей транзистора, а также из-за влияния разделительных емкостей.
Рисунок 11 – АЧХ усилительного каскада на БТ по схеме с ОЭ
Поскольку при моделировании было определено, что спектр сигнала занимает полосу большую, чем 45 кГц, а именно 150 кГц, то было принято решение о переопределении параметров фильтра УПЧ. Был смоделирован полосовой LC фильтр Чебышева 6 порядка со следующими параметрами:
Центральная частота 3,6 МГц
Полоса прозрачности 170 кГц
Ослабление на частотах +\- 10 кГц от полосы прозрачности составляет 12 Дб.
Коэффициент неравномерности в полосе прозрачности не более 1 Дб
Входное и выходное сопротивление 800 Ом
Схема полосового фильтра представлена на рисунке 12. Как видно из рисунка, все номиналы деталей выбраны из ряда Е24, и не представляют технических трудностей при реализации (например, необходимой индуктивности катушек сравнительно легко добиться технологически).
Рисунок 12 – Схема полосового фильтра
Выходное и входное сопротивление фильтра выбрано 800 Ом, чтобы упростить или возможно избежать процедуры согласования импедансов каскадов (входное сопротивление каскада на ОЭ было получено 1.5 кОм, выходное 900 Ом). Кроме того, при моделировании выяснилось, что сигнал на выходе фильтра имеет значительной глубины паразитную АМ модуляцию, которая неустранима диодным ограничителем ввиду слишком малого уровня выходного сигнала. Поэтому решено было добавить после фильтра еще один каскад усиления. Таким образом, полная схема УПЧ приведена на рисунке 13, АЧХ всего УПЧ приведен на рисунке 14.
Рисунок 14 – Схема УПЧ
Рисунок 15 – АЧХ УПЧ