ТРАКТ ПЧ-НЧ СУПЕРГЕТЕРОДИННОГО ПРИЕМНИКА С

3. ТРАКТ ПЧ – НЧ СУПЕРГЕТЕРОДИННОГО ПРИЕМНИКА
С АМПЛИТУДНОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ*
Губа А.В., Керимов А.А., СЭЭТ ДГТУ, Махачкала
Тракт ПЧ – НЧ входит в состав любого супергетеродинного приемника, в
том числе и бытового назначения. Как правило, он содержит усилитель
промежуточной частоты, демодулятор и усилитель низкой частоты, а также
дополнительные узлы, обеспечивающие требуемые режимы работы. Каждый
из узлов выполняет определенные функции, в частности, усилитель
промежуточной
частоты
усиливает
сигналы,
поступающие
от
преобразователя частоты, до уровня, необходимого для нормальной работы
демодулятора и одновременно производит частотную селекцию спектра
принимаемого приемником сигнала. Демодулятор выделяет напряжение
низкочастотной составляющей подаваемого на его вход сигнала, а усилитель
низкой частоты повышает мощность низкочастотного сигнала до значения,
необходимого для обеспечения нормальной работы полезной нагрузки
(громкоговорителя).
К каждому функциональному узлу предъявляются соответствующие
частные требования, определяющие качественные показатели всего тракта.
Для усилителя промежуточной частоты характерными являются:
- общее усиление должно быть не меньше заданного;
- обеспечение необходимой полосы пропускания;
- коэффициент шума не должен превышать допустимой величины;
- обеспечение необходимой избирательности усилителя;
- обеспечение простоты в настройке и экономичности по источникам
питания.
В свою очередь демодулятор должен обладать:
- максимальным коэффициентом передачи;
- минимальным уровнем вносимых искажений;
- максимальным входным сопротивлением;
* Материалы статьи опубликованы в журнале «Электронные компоненты», №9, 2008
-минимальным напряжением с частотой несущей на выходе.
Основные
требования
к
усилителю
низкой
частоты
в
составе
радиоприемного устройства заключаются в следующем:
- обеспечение достаточной мощности в громкоговорителе;
- обладание равномерной частотной характеристикой в диапазоне
воспроизводимых частот;
- обеспечение минимального уровня нелинейных искажений.
Наряду с частными требованиями к отдельным функциональным узлам
тракт ПЧ – НЧ в целом должен обладать хорошими весогабаритными
характеристиками и приемлемой стоимостью.
В
значительной
степени
удовлетворить
указанные
требования
к
устройству удалось с использованием компонентов компании ANALOG
DEVICES, схема структурная которого приведена на рис. 1.
Рис. 1. Схема структурная тракта ПЧ – НЧ.
Усилитель промежуточной частоты выполнен по схеме с распределенным
усилением и селективностью. В качестве элементов избирательности
применены
пьезоэлектрические
коэффициентом
прямоугольности
фильтры,
обладающие
частотной
характеристики.
высоким
Выход
амплитудного детектора соединен с входом коммутатора, который в случае
необходимости может производить коммутацию входа усилителя низкой
частоты с выходом частотного детектора при расширении возможностей
радиоприемного устройства. Наряду с этим, выходной сигнал детектора по
цепи отрицательной обратной связи, образованной фильтром и усилителем,
подводится
к
усилителю
промежуточной
частоты
для
управления
коэффициентом усиления. Для обеспечения неизменности режимов работы
электронной схемы дополнительно введены стабилизатор и источник
опорного напряжения. Схема электрическая тракта ПЧ – НЧ приведена на
рис. 2.
В усилителе промежуточной частоты использован компонент AD605,
представляющий собой два идентичных автономных усилителя класса
Variable Gain Amplifier (VGA), конструктивно размещенных в одном корпусе.
Схема функциональная одного усилителя приведена на рис. 3, а основные
параметры - в табл. 1 [1]. Общими для двух усилителей являются входы
VREF (вывод 16) и VOCM (вывод 9).
Таблица 1.
Напряжение питания, В
Диапазон изменения
коэффициента усиления, db
Граничная частота, МГц
+
5В
4
8
4
0
Ток потребления, mA
2
0
Рис.3. Схема функциональная AD605.
Каждый из усилителей компонента AD605 имеет дифференциальный вход
и линейный выход. Коэффициент усиления определяется величиной
напряжения на входе VGN, при этом, усилитель может работать в двух
режимах управления. При наличии обратной связи между выводами OUT и
FBK диапазон изменения коэффициента усиления составляет от -14dB до
+34dB, а при разомкнутой цепи обратной связи коэффициент изменяется от 0
dB до +48.4dB (рис. 4). Возможно последовательное включение усилителей,
как с раздельным, так и параллельным регулированием усиления. При таком
включении
диапазоны
изменения
соответственно равны -28dB … +68.8dB и
0dB
…+96.8dB.
требуется
Для
работы
усилителя
вспомогательное напряжение от
опорного источника, подводимое к входу
VREF.
Рекомендуемая
Рис. 4.
величина
напряжения
разработчиком
на
этом
выводе
составляет от 2.5 В до 1.67 В, что соответствует приращению коэффициента
усиления от 20dB/B до 30dB/B (рис. 5).
Недостатком
усилителя
для
данного
применения (рис. 2) является относительно
малое входное сопротивление RIN = 175Ом,
что
в
отдельных
решениях
может
потребовать дополнительной
буферизации
входной
ПЧ–НЧ при
цепи
тракта
подключении его к смесителю.
Рис.5.5.
В схеме электрической на рис. 2
Рис.
использовано последовательное включение усилителей с параллельным
способом регулирования усиления. К выходу каждого усилителя подключен
пьезоэлектрический фильтр. Усиленный и отфильтрованный сигнал подается
на вход амплитудного детектора, выполненного на операционном усилителе
DA9.1 типа AD8032, основные параметры которого приведены в табл. 2 [1].
Таблица 2.
Граничная частота, МГц
Входное сопротивление Rg,
кОм
Выходной ток, mA
Напряжение питания, В
Ток потребления, mA
80
280
15
±2.7…
±12
+1.35
…+6
1.6
Компонент AD8032 представляет
собой
сдвоенный
операционный
усилитель формата Rail – to – Rail
I/O. Отличительной особенностью
этого
усилителя
является
возможность его подключения, как
к
однополярному,
так
и
к
двухполярному источнику питания, но при любом способе организации
питания усилитель сохраняет работоспособность в широком диапазоне
питающих напряжений. Амплитудный детектор на AD8032 имеет высокую
линейность детекторной характеристики и коэффициент передачи равный 6.
Цепь отрицательной обратной связи состоит из конденсатора С20 и
усилителя DA9.2 по инвертирующей схеме включения, коэффициент
усиления которого определяется сопротивлениями резисторов R10 и R11, и в
данном применении равен 10. Напряжение, устанавливающее требуемый
коэффициент
усиления
усилителей
DA8.1
и
DA8.2,
снимается
с
потенциометра R15.
Коммутатор AM/FM сигналов выполнен на основе DA10 типа ADG819,
являющимся аналоговым переключателем с цифровым управлением. Схема
функциональная ADG819 приведена на рис.6, а основные электрические
параметры – в табл. 3.
Таблица 3.
Сопротивление канала, Ом
0.5
Граничная частота, МГц
17
Напряжение питания, В
+3…+5
Потребляемая мощность, мВт
5
Рис. 6. Схема функциональная ADG819.
При уровне логического нуля на входе IN коммутатор находится в
указанном на схеме положении, а при подаче логической единицы переходит
в положение S1. Обладая эффектом обратимости канала, компонент может
быть использован как аналоговый (цифровой) мультиплексор структуры 2x1,
или же в качестве демультиплексора 1x2. В тоже время сопротивление
коммутируемого канала порядка 0.5 Ом позволяет избежать потери сигнала,
который с выхода коммутатора поступает на компонент DA2 типа
AD5228BUJZ10,
представляющий
собой
цифровой
потенциометр
с
номинальным сопротивлением 10 кОм, выполняющий функцию регулятора
громкости
радиоприёмного
устройства.
Аналогичные
цифровые
потенциометры DA5 и DA6 типа AD5228BUJZ50 с сопротивлением 50 кОм
используются в качестве регуляторов тембра. Схема функциональная AD5228
приведена на рис.7, а основные электрические параметры – в табл. 4.
Таблица 4.
Количество каналов
Количество шагов
Напряжение
питания, В
Потребляемый ток,
мкА
1
32
+2,7…
+5
0.4
Рис. 7. Схема функциональная AD5228.
Управление сопротивлением потенциометра производится путем подачи
нулевого уровня напряжения на один из входов PUSH-PU (вывод 1) или
PUSH-PD (вывод 2). Если в первом случае происходит увеличение
сопротивления нижнего плеча потенциометра, то во втором – уменьшение.
Вход Power-On-Preset (PRE) компонента AD5228 (вывод 7) позволяет
выполнять предустановку начального сопротивления плеч потенциометра.
При подаче напряжения питания на вход PRE, потенциометр устанавливается
в среднее положение, что обеспечивает равенство сопротивлений, а при
нулевом уровне напряжения сопротивление нижнего плеча равно нулю. В
схеме электрической на рис. 2 разные варианты предустановки применены в
компонентах DA2 и DA5, DA6.
Со среднего вывода потенциометра DA2 сигнал поступает на вход
предварительного усилителя низкой частоты, выполненного на операционных
усилителях DA4.1 и DA4.2 типа AD8032. В состав предварительного
усилителя дополнительно введен регулятор тембра, используемый для
коррекции амплитудно-частотной характеристики в области нижних и
верхних частот с раздельной регулировкой потенциометрами DA5 и DA6.
В качестве выходного усилителя (усилителя мощности) применен
компонент SSM2211, являющийся высококачественным усилителем низкой
частоты, обеспечивающим выходную мощность 1Вт на сопротивлении
нагрузки Rн = 8 Ом или 1.5 Вт на Rн = 4 Ом. Усилитель предназначен для
функционирования в диапазоне питающего напряжения от +2.7 В до +5.5 В,
но сохраняет работоспособность вплоть до напряжения питания +1.75 В, а
уникальная частотная характеристика предполагает его использование в
применениях далеко за пределами низкочастотного диапазона. Схема
функциональная SSM2211 представлена на рис. 8, а основные параметры
- в табл. 5 [1].
Таблица 5
Граничная частота, МГц
Выходная
4
мощность,
1.5
Вт
Напряжение питания, В
+2.7…+
5.5
Потребляемый ток при
отсутствии сигнала, mA
Коэффициент гармоник,
%
9.5
0.15
Рис.8.
Схема функциональная SSM2211.
Усилитель предполагает возможность двух вариантов подключения
нагрузки. В первом случае одна нагрузка (громкоговоритель) может быть
подключена между выходами VoutA и VoutB, а во втором случае две
раздельные нагрузки могут быть подключены к выходам VoutA и VoutB
относительно общей шины. Для описываемого применения выбран первый
вариант схемной реализации усилителя с одной нагрузкой.
Структура
операционного
компонента
SSM2211
усилителя,
аналогична
поэтому
его
структуре
коэффициент
типового
усиления
устанавливается сопротивлениями внешних резисторов (в схеме на рис. 2
резисторы R17 и R18) и определяется следующим образом:
К = 2 x (R18 / R17).
Удвоенное значение коэффициента усиления объясняется тем, что выход
VoutA (вывод 5) находится в противоположной полярности относительно
выхода VoutB (вывод 8).
Общую стабилизацию напряжения в схеме выполняет компонент DA1
семейства ADP3339х, представляющий собой компенсационный стабилизатор
последовательного
типа
с
выходным
напряжением
+5
В.
Схема
функциональная ADP3339 приведена на рис. 9, а основные электрические
параметры – в табл. 6.
Таблица 6.
Максимальное входное
напряжение, В
Максимальный выходной
ток, А
Падение напряжения на
стабилизаторе (Iн=0.5А), mV
8.5
1.5
150
Рис. 9. Схема функциональная ADP3339.
Для
компонента
ADP3339
характерна
типовая
схема
включения,
рекомендуемая для компенсационных стабилизаторов последовательного
типа, и отличительных особенностей не содержит.
Таблица 7.
Выходное
напряжение, В
Входное напряжение,
Напряжение
+2.5±0.04
начального
смещения для усилителей DA4,
%
+4.5…+18
DA8
и
DA9
обеспечивает
прецизионный источник опорного
В
Выходной ток, mA
10
напряжения DA3 типа ADR421,
Ток потребления, mA
0.5
основные
электрические
параметры которого приведены в
табл. 7.
ВЫВОДЫ
На этапе макетирования тракта ПЧ – НЧ было проведено тестирование
компонентов устройства с целью уточнения частных параметров. Подлежали
исследованию, как отдельные компоненты, так и оценочные платы (Evaluation
Board) этих компонентов, предоставленные представительством компании
Analog Devices в распоряжение исследовательского центра
СЭЭТ.
Результаты тестирования выявили следующее.
В случае последовательного соединения двух усилителей AD605
общий коэффициент усиления превышает значение +96.8 dB, указанное в
технической документации, и у отдельных компонентов достигает величины
+115 dB. При этом не выявлена тенденция к самовозбуждению устройства.
Лишь в одном случае потребовалась дополнительная фильтрация напряжения
на входе VGN, реализованная посредством подключения конденсатора
емкостью 3.3 нФ между указанным входом (объединенные в схеме на рис. 2
выводы 1 и 8) и общей шиной. При опорном напряжении +2.5 В на входе
VREF приращение коэффициента усиления составляет 20 dB/B, что
соответствует величине, оговоренной в документации, но при уменьшении
напряжения до +1.67 В, значение этого параметра у отдельных компонентов
возрастает до 35 dB/B.
Цифровые потенциометры AD5228 сохраняют основные параметры
при уменьшении напряжения питания до +2.3 В.
Неравномерность частотной характеристики исследуемых усилителей
SSM2211 в интервале частот (рис.2) не более ±0.2 dB, а коэффициент
гармоник при Рвых=0.5 Вт составил менее 0.12 %.
Конструктивно тракт ПЧ – НЧ выполнен на печатной плате из
фольгированного стеклотекстолита размерами 70 х 40 (мм) и обладает
следующими основными параметрами:
- реальная чувствительность 2 мкВ;
- избирательность по соседнему каналу 70 dB;
- выходная мощность 0.6 Вт.
ЛИТЕРАТУРА
1. Информация с сайта Analog Devices Inc., www.analog.com