Глава 1 ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ПРИЕМО-ПЕРЕДАТЧИКОВ
В любом электронном устройстве, как известно, можно выделить ряд отдельных узлов, каждый из которых выполняет свою определенную функцию. Например, такие функциональные части как усилители низких и высоких частот, различные фильтры, индикаторы, источники питания и др.
Одними из важнейших частей, определяющих основные параметры приемо-передающих средств, являются задающие высокочастотные (ВЧ) генераторы - автогенераторы. Эти узлы генерируют ВЧ-колебания, необходимые для работы данных устройств.
Как известно в конвертерах и в супергетеродинных приемниках происходит преобразование входной частоты - частоты принимаемой радиостанции. При этом после преобразования выходная частота представляет собой разность или сумму входной частоты (частоты радиостанции) и частоты, генерируемой специальным встроенным генератором - гетеродином. Это позволяет с помощью конвертеров осуществлять прием на радиоприемник радиосигналов в других радиодиапазонах (например. КВ-радиосигналов на СВ-радиоприемник, радиостанции УКВ-диапазона 65-74 МГц на УКВ-радиоприемник с диапазоном 87-108 МГц и т.д), а в супергетероданных приемниках принцип преобразования частот позволяет достигать высокой чувствительности и избирательности.
В радиопередатчиках частота задающего генератора, как правило. является несущей. В сложных конструкциях иногда используется принцип умножения частоты, т.е. частота несущей в несколько раз выше частоты задающего генератора. Передача информации осуществляется амплитудной или частотной модуляцией (AM, ЧМ) несущей. После соответствующего усиления промодулированные ВЧ-колебания (ВЧ-сигнал) поступают в передающую (излучающую радиоволны) антенну.
В простейших передатчиках промодулированные с помощью достаточно простых цепей ВЧ-колебания, созданные задающим генератором. с его выхода сразу поступают в антенну. Часто это происходит с минимальным согласованием (или без согласования) с антенной. Поэтому параметры таких маломощных передатчиков в очень большой степени зависят от параметров задающего генератора - стабильности частоты, коэффициента гармоник, амплитуды ВЧ-колебаний, мощности генератора и т.д. Мощность простейших передатчиков сравнительно не высока. и дальность обычно ограничивается несколькими сотнями метров.
В генераторах - автогенераторах, используемых в конвертерах, приемниках и передатчиках, транзисторы обычно включают по схеме с общей базой (ОБ) или с общим коллектором (ОК). В схемах с ОБ выходное сопротивление, а в схемах с ОК входное сопротивление имеют большие величины. Они вносят небольшие затухания в резонансные контуры, входящие в состав генераторов и включенные на выходе и входе данных схем соответственно. Это способствует улучшению стабильности частот и амплитуд генерируемых колебаний.
Влияние изменений параметров транзисторов (от температуры, времени, изменения напряжения питания и т.д.) на генерируемые частоты уменьшают, включая соответствующие резисторы в цепи коллекторов и эмиттеров этих транзисторов (вводят отрицательные обратные связи). Для повышения, стабильности частот автогенераторы часто питают через стабилизаторы напряжений.
В схемах высокочастотных генераторов на биполярных транзисторах, обеспечивающих удовлетворительную работу на частотах до десятков мегагерц, широко применяют трехточечные схемы. Оптимальная величина положительной обратной связи в схемах индуктивных трехточек (рис. 1.1, а, б) устанавливается выбором места положения отвода от витков катушки L 1, а в схеме трехточки с емкостным делителем (рис. 1.1, в) - выбором отношения емкостей СЗ/С4.
На частотах десятки и сотни мегагерц хорошо работают генераторы на биполярных транзисторах по схеме, представленной на рис. 1.1 .г. Оптимальная величина обратной связи для этой схемы устанавливается подбором величины емкости конденсатора С, включенного между коллектором и эмиттером транзистора генератора.
Во всех схемах генераторов для нормальной и устойчивой их работы следует применять транзисторы с граничными частотами в по крайней мере в 2-3 раза выше рабочих частот данных генераторов.
Рис.1.1. Примеры схем задающих генераторов на биполярных транзисторах.
При повторении приведенных схем рекомендованы следующие значения элементов (а, б, в - частота 100 кГц -10 МГц, r - частота 10 МГц - 100 МГц).
Для схемы на рис. 1.1,а:
R1=220-270, R2=47-100, Р3=2.4к-3.3к, R5=560-750;
С2=0.01, С3=0.01, С4=1000-0.1;
R4 - зависит от режимов транзистора (ток, напряжение);
С 1 - зависит от частоты генератора. Для схемы на рис. 1.1,6:
R1= 100-150, R2= 10-20, К3=8.2к-12к, R5=560-750;
C2=0.01, С3=0.01, С4=1000-0.1;
R4 - зависит от режимов транзистора (ток, напряжение); емкость С1, параметры L1 и L2 зависят от частоты генератора. Для схемы на рис. 1.1,в:
R1=3-30K, R2=3-30K (обычно R1=R2), Р3=240-1к;
С2=220, С3=820, С4=910;
R1 - зависит от режимов транзистора (ток, напряжение); емкость С1, параметры L1 зависят от частоты генератора. Для схемы на рис. 1.1.г:
Р1=1.5к, Р2=3.9к. К3=2.2к:
С2=10-100. С3=1000-2200, С4=1000-0.01.
Емкость С 1. параметры L 1 зависят от частоты генератора. Изменением значения емкости С2 устанавливается величина обратной связи (положительной !). В некоторых вариантах данной схемы резистор R3 шунтируется конденсатором. При выборе элементов и настройке схемы необходимо учитывать, что недостаточная глубина обратной связи (положительной) приводит к неустойчивой работе схемы - к отсутствию или срыву генерации, избыточная - к появлению гармоник основной частоты.
В генераторах могут быть использованы любые высокочастотные транзисторы, например, ГТ311,ГТ313, КТ315, КТ361, КТ3102, КТ3107 и многие др.
Отбор мощности от генераторов можно производить с помощью индуктивной или емкостной связи. Чтобы нагрузка возможно меньше влияла на генерируемую частоту, связь должна быть слабой.
Схемы генераторов могут быть построены с использованием полевых транзисторов. При этом могут быть использованы как полевые с каналом р- (например. КЛЮЗ) или п-типа (например, КПЗОЗ), так и полевые транзисторы с изолированным затвором - МОП-транзисторы
Рис.1.2. Примеры схем задающих генераторов на полевых транзисторах с изолированными затворами.
(например, КП305). В последнем случае схемы отличаются простои структурой и высокими параметрами.
На рис. 1.2 представлены примеры схем генераторов, построенных на полевых транзисторах с изолированным затвором - МОП-транзисторах.
В данных схемах генераторов могут быть использованы, например, МОП-транзисторы 2П305, КП305 и др.
Конкретный выбор варианта схемы (1.2.а-1.2.г) зависит как от способа возбуждения и отбора мощности, так и от типа используемого транзистора. Наиболее простыми являются схемы на рис. 1.2. а и 1.2.6 при использовании транзисторов с изолированными затворами КП305Ж, КП305Е и транзисторов с аналогичными характеристиками типа 2П305. В этом случае для данных схем используются только элементы LI, C1. Т1. Именно эти варианты будут использованы в передатчиках с задающими генераторами на полевых транзисторах - МОП-транзисторах. Использование подобных схем позволяет создавать миниатюрные радиопередатчики. обладающие отличными параметрами. При этом сам передатчик можно уместить в объеме 1 кубического сантиметра, а вместе с миниатюрным микрофоном - 1.5-2.
Важными элементами приемников и передатчиков являются также усилители низких и высоких частот - УНЧ, УВЧ.
В усилителях низких частот (УНЧ) передатчиков и приемников могут быть использованы различные схемы усилителей как на транзисторах, так и на интегральных схемах (ИС).
На рис. 1 3 представлены возможные варианты схем предварительных усилителей низких частот - УНЧ.
Обычно в качестве источников сигналов для УНЧ передатчиков используются микрофоны (динамические, элекгретные, конденсаторные и т.д.), для УНЧ приемников - предыдущие каскады этих устройств, например, детекторы - каскады, детектирующие сигналы с амплитудной или частотной модуляций.
Для схемы УНЧ на рис. 1.3.а оптимальный выбор номиналов резисторов зависит от выходного сопротивления предыдущего каскада, входного сопротивления последующего, типа и коэффициента усиления применяемого транзистора. В скобках даны значения резисторов при использовании микрофона, типовые значения элементов даны для напряжения на коллекторе 4-5 В при токе коллектора 1к = 1 мА.
К1=1к-100к (1к-5к). К2=300к-1.5м (500к), К3=2к-20к (5к):
С1=4.7мкФ.
Рис.1.3. Примеры схем предварительных УНЧ.
T1- КТЗ 15, КТЗ 102 и аналогичные, желательно с коэффициентами усиления не менее 100.
Схема на рис. 1.3.6 отличается большим усилением, большим входным сопротивлением и меньшим выходным сопротивлением по сравнению с предыдущей схемой. Применение интегральных схем позволяет не только повысить многие параметры усилителей, но и существенно упростить их настройку.
Для схемы, использующей ИС 122УС1Д, можно применять напряжение питания от 6 В до 12В. При ИС с другими буквенными индексами величина напряжения питания должна соответствовать паспортным данным.
Номиналы элементов:
К1=1к-100к (при использовании микрофона - М=1к-5к);
С1=4.7мкф-20.0мкФ (4.7мкФ), С2=4.7мкф-20.0мкФ (4.7мкФ), СЗ=4.7мкф-20.0мкФ (4.7мкФ).
На рис.1.3.в,г представлены схемы с использованием операционных усилителей (ОУ).
Данные схемы обеспечивают еще большее усиление, большее входное сопротивление и меньшее выходное, большую амплитуду неискаженного выходного сигнала по сравнению с предыдущими схемами усилителей низких частот.
Входные сопротивления определяются значениями входных резисторов - R1. Коэффициенты усиления данных (К) схем зависят от соотношений резисторов в цепях обратных связей. Для схемы на рис. I.З.в -K=(R2+R3)/R3, для схемы на рисЛ.З.г - K=R2/R3.
Схемы с использованием операционных усилителей могут иметь однополярное (и даже пониженное относительно рекомендованного паспортного значения) питание. В этом случае неинвертирующие входы подключаются к резисторным делителям с целью подачи на эти входы необходимого смещения, равного половине напряжения питания.
Выбор конкретных схем предварительных усилителей зависит от поставленных задач.
Существует еще один тип УНЧ. Эти варианты УНЧ используются достаточно часто, поэтому их целесообразно рассмотреть. Такими устройствами являются выходные усилители низкой частоты обладающие повышенной мощностью. Данные усилители являются оконечными каскадами в структуре многих устройств.
На рис. 1.4.а, б представлены схемы выходных каскадов усилителей низкой частоты с использованием специализированных интегральных
Рис. 1.4. Схемы выходных каскадов УНЧ на К174 УН4А (а) и на ОУ К548УН1А (б).
микросхем (ИС) серии 174 и соответствующих схем на операционных усилителях (ОУ).
Номиналы резисторов и конденсаторов для данных схем зависят от выходных сопротивлении предшествующих каскадов, требуемых коэффициентов усиления, внутреннего сопротивления и мощности используемых нагрузок - громкоговорителей (динамиков).
Примеры рекомендуемых номиналов элементов для схемы УНЧ на основе ИС К174УН4А представленной на рис. 1.4.а (в скобках - типовые значения элементов):
ИС - К174УН4А;
К1=1к-10к (5к), К2=200-2к (1.8к), R3=1 Ом;
С1=С2=4.7мкФ-50.0(10.0), С3=20.0-200.0 (50.0), С4=200.0, С5=0.1-1.0 (1.0), Сб^ЮО.0-1000.0, С7=50.0-200.0 (для сопротивления динамика 4-8 Ом, сопротивление выше - емкости С6 и С7 меньше);
Номинал резистора R2 задает коэффициент усиления.
Цепочка R3-C5 исключает возбуждение усилителя на высоких частотах. Для исключения возбуждения по цепи питания целесообразно ^ зашунтировать конденсатор Сб керамической емкостью 0.1мкФ. Допустимое напряжение питания - 5-10 В.
Основные параметры, особенности применения и последующей эксплуатации данной ИС приводятся в соответствующей технической литературе,
Примеры рекомендуемых номиналов элементов для схемы УНЧ на основе ОУ К548УН1А, представленной на рис. 1.4.6 (в скобках - типовые значения элементов):
ИС-ОУ К548УН1А;
К1=1к-100к (47к), R2=200-10K (1к), К3=1к-100к, К4=100к-300к (240K);R5=1-100M;
С1=С2=0.22мкФ-50.0 (1.0. можно не оксидные), С3=10.0-200.0 (50.0). С4=200.0-1000.0. С5=50.0-500.0. (для сопротивления динамика 4-8 Ом. если его сопротивление выше - емкости С4 и С5 могут быть меньше), С6=0.1-1 мкФ;
Т1-КТ815, Т2-КТ814.
Допустимое напряжение питания - 9-3 0В.
Основные параметры, особенности применения и последующей эксплуатации данной ИС приводятся в соответствующей технической литературе.
Можно использовать другие типы операционных усилителей, например, серий 140, 153, 157 и др. Для варианта схемы УНЧ на основе данных ОУ, использующей однополярное питание, необходимо предусмотреть напряжение смещения на неинвертирующем входе ОУ, которое должно быть равно 1/2 напряжения питания.
Выходные транзисторы в приведенной схеме на основе ОУ К548УН1А работают без начального смещения. При появлении искажений на малых сигналах, искажения типа "ступенька", можно подать на базы выходных транзисторов небольшое смещение: база Т1 подключается через резистор (1к-10к, меньший резистор для УНЧ большей мощности) на "+" питания, база Т2 - аналогично (1к-10к) на "землю", при этом между базами транзисторов устанавливается резистор (50-500, необходимо подстраивать), задающий ток покоя -1-10 мА. Величина необходимого тока покоя зависит от мощности УНЧ. Для УНЧ большей мощности требуется больший ток покоя - 10-20 мА.
При использовании усилителя в качестве телефонного (нагрузка -телефоны) можно на выходе применить транзисторы меньшей мощности. Например, Т1 - КТ315 и Т2 - КТ361, для большей мощности УНЧ и меньшего сопротивления нагрузки можно использовать транзисторы несколько большей мощности - Т1-КТ503 и Т-КТ502, или аналогичные. Еще большая мощность УНЧ потребует более мощных транзисторов, например, КТ814, КТ815. Выбор конкретной схемы и подходящих выходных транзисторов определяются сопротивлением нагрузки, необходимой выходной мощностью УНЧ, источником питания, особенностями конструкции и эксплуатации.
Номиналы резисторов R2 и R3 задают коэффициент усиления:
K=(R2+R3)/R2.
При устранении возбуждения по высоким частотам на выходе усилителя, как и в^схеме на рис. 1.4.а, предусмотрена RC-цепочка (R5.C6), обычно 1 Ом и 0.1 мкФ. Для исключения возбуждения по цепи питания целесообразно зашунтировать конденсатор С6 керамической емкостью 0.1-1.0мкф.
Усилители высокой частоты (УВЧ) и электропитание предлагаемых ниже устройств будут рассмотрены в соответствующих разделах ниже.