4.7.4. Каскады радиоприемников на пт в режиме усиления

Использование ПТ в режиме усиления позволяет реализовать наиболее рациональным образом идею магнитной антенны с круговой диаграммой направленности.

Как известно, антенны с ферритовыми стержнями обладают диаграммой направленности в виде восьмерки. Однако, в ряде слу­чаев (например, при приеме сигналов приемником оперативной производственной связи, работающим от вертикальной передающей антенны) возникает необходимость в магнитной антенне с диаграм­мой направленности, близкой к круговой. Идея магнитной антенны с круговой диаграммой направленности реализуется устрой­ством, схема которого приведена на рисунке 4.21, а.

Две ферритовые антенны L₁, C₁ и C₂, ориентируются в ортогональных плоскостях, выходное напряжение одной из антенн сдвинуто по фазе на угол  относительно другой. В этом случае мгновенные значения выходного напряжения каждой из антенн, при равенстве их усиления, равны:

, (4.100)

, (4.101)

где  – угол прихода волны.

а)
б)

Рис. 4.21. Схемы усилителей с АРУ на основе ПТ

Амплитуда суммарного напряжения обеих антенн определяет­ся выражением:

. (4.102)

Из последнего выражения видно, что при при любом направлении распространения волны. В схеме, необходимый фазовый сдвиг между выходными направлениями антенн, достигается подбором емкости конденсатора С₃. С помощью конденсатора С₃ устанавливается критическая связь между контурами L₁,C₁ и L₂, C₂, образующими полосовой фильтр, работающий на вход ПТ. Выравнивание напряжений на контурах легко обес­печивается с помощью резистора R₁.

Устройство имеет следующие технические данные:

- неравномерность диаграммы отличается от круговой < 3%;

- несущая частота 117 кГц;

- диапазон АРУ > 30 дБ;

- потребляемая мощность от источника питания < 5 мВт.

Для работы в диапазоне частот разработано устройство, изо­браженное схематически на рисунке 4.21, б. Здесь ПТ VT₁ и VТ₂ исполь­зованы в схеме двухканального антенного усилителя, а необходимый сдвиг фазы обеспечивается с помощью несимметричного трехполосного звена фильтра нижних частот L₃, L₄, С₁₀. Важной особенностью рассматриваемого устройства является использование в нем плоского ферритового стержня одновременно для намотки двух обмоток антенн. Одна обмотка намотана вдоль стержня, вторая – поперек. При определенном положении поперечной катушки удается ослабить взаимное влияние антенн более чем на 60 дБ, что практи­чески невозможно осуществить в схеме рисунка 4.21, а. Настройка уст­ройства собранного по схеме рисунка 4.21, б заключается в подборе элементов R₅, R₆ и С₃.

Устройство имеет следующие технические данные:

- неравномерность диаграммы направленности < 5%;

- диапазон рабочих частот 150 – 450 кГц;

- диапазон АРУ > 25 дБ;

- мощность, потребляемая от источника питания < 6 мВт.

Применение ПТ в режиме усиления в схемах рисунка 4.21, а и 4.21, б позволяет получить следующие достоинства устройств: повышение реальной чувствительности за счет полного включения контуров входной цепи; малые шумы и низкий уровень перекрестной модуля­ции; возможность осуществления АРУ глубиной более 25 дБ; простоту настройки.

ПТ являются перспективными элементами для радио и телевизи­онных приемников, работающих на частотах 30 МГц. Качество приема высокочастотных сигналов зависит от уровня собственных шумов входных каскадов, воздействия перекрестных и интермодуляционных помех и т.д. (см. п.4.1 и 4.4). Наиболее серьезным видом помехи является перекрестная модуляция, поскольку искажения полезного сигнала под влиянием модулированной помехи не могут быть ослаб­лены за счет селективности последующих каскадов. Эффект перек­рестной модуляции объясняется нелинейностью характеристик пере­дачи используемых активных элементов, а уровень этой модуляции характеризуется величиной нелинейности 3-го и высших порядков. Интермодуляционные искажения отличаются от перекрестной модуля­ции и образуются за счет нелинейности 2-го и высших порядков. Причина их возникновения заключается во взаимодействии двух или нескольких несущих их гармоник, в результате которого образуется комбинационная частота, на которую настроен приемник:

, (4.103)

где m и n - целые числа, f₁ и f₂ – взаимодействующие частоты.

Близость характеристик передачи ПТ к квадратичной параболе обеспечивает малую величину нелинейности 3-го и более высоких поряд­ков. Эту особенность целесообразно использовать в усилителях вы­сокой частоты (УВЧ), смесителях и генераторах.

На рисунке 4.22, а приведена схема УВЧ работающего на частоте 200 МГц УВЧ выполнен на полевом тетроде типа КП306В. Он охвачен обратной АРУ по второму затвору ПТ. Схема УВЧ аналогична каскад­ной схеме на двух триодах. В процессе регулировки напряжения на втором затворе, входная в выходная емкости тетрода остаются практически неизменными, что обеспечивает высокую стабильность частоты настройки колебательных контуров. Схема обеспечивает максимальный коэффициент усиления 12 дБ, диапазон АРУ 20 дБ при амплитуде перекрестной помехи примерно на порядок большей, чем в схеме аналогичного назначения на биполярных транзисторах.

На рисунке 4.22, б приведена схема смесителя. Смеситель выпол­нен на ПТ с p-n-переходом типа КП307 по схеме с общим истоком. Входной контур L₁С₁ настроен на частоту полезного сигнала 68 МГц и подключен к затвору ПТ. На затвор ПТ поступают и адап­тивно смешиваются два сигнала: полезный входной сигнал и сигнал с частотой гетеродина f_Г.

Оптимальный режим смесителя устанавливается потенциометром R₂. Напряжение промежуточной частоты f_Г = 8,4 МГЦ выделяется с помощью двухконтурного фильтра С₆, С₇, L₃ и L₅, L₄, С₈. Крутизна преобразования составляет примерно 1,5 мА/В, что меньше чем у смесителей на биполярных тран­зисторах. Однако вследствие близости характеристики передачи ПТ к квадратичной параболе, смеситель на ПТ имеет существенно меньшие перекрестные искажения и меньшую интенсивность комбина­ционных помех и интерференционных свистов.

Входное сопротивление ПТ на частоте 68 МГц невелико из-за эффекта, описанного в п.1.4.2, однако оно выше входного сопротивления биполярных транзисторов, включенных по схеме с общим эмиттером. Поэтому полное включение контура ко входу ПТ обеспечивает больший коэффициент передачи входной цепи и лучшую селективность по зеркальному и другим паразитным каналам приема.

а)
б)
в)

Рис. 4.22. Схемы УВЧ на ПТ

На рисунке 4.22, в приведена схема автогенератора, у которого функции усилительного элемента выполняет МДП-транзистор КП305И. Генератор выполнен по схеме индуктивной трехточки. Изменяя емкость C₁ колебательного контура C₁, L₁, L₂ можно изменять частоту генерации в пределах от 30 до 100МГц. Рассматриваемая схема проще схем аналогичного назначения на биполярных транзис­торах и имеет в сравнении с ними ряд достоинств, обусловленных малыми входной и проходной емкостями ПТ, значительным входным сопротивлением, а также повышенной частотной и температурной стабильностью упомянутых параметров.

ПТ могут найти применение и в трактах низкой частоты радио­приемников, выполняя функции предварительных и оконечных усилите­лей низкой частоты (УНЧ). Схемы предварительных УНЧ с ПТ аналогич­ны рассмотренным в п. 4.7.2.

Схема оконечного усилителя мощности низкой частоты приведена на рисунке 4.23.

Рис. 4.23. Схема двухтактного усилителя мощности на ПТ

Она выполнена на двух мощных ПТ типа КП903, работаю­щих в режиме АВ. Исходный режим обеспечивается подачей соответст­вующего напряжения смещения на затворы ПТ. Напряжение смещения образуется на резисторе R за счет протекания стоковых токов транзисторов VT₁ и VТ₂. Для получения максимального усиления сигна­ла резистор R по переменному току зашунтирован емкостью С. Трансформатор Тр.1 выполняет роль фазоинверсного каскада. Он работает на высокие входные сопротивления ПТ, и, следовательно, отдает крайне малую выходную мощность, имеет простую конструкцию, малые габариты и массу.

Трансформатор Тр.2 обеспечивает оптимальное сопротивление нагрузки полевым транзисторам. В усилителе целесообразно исполь­зовать ПТ имеющие близкие характеристики передачи. В этом случае, благодаря двухтактной схеме усилителя, в нагрузке Гр. четные гармоники существенно ослабляются. Коэффициент гармоник усилителя не превышает 3% при выходной мощности 5 Вт.

5. СВОЙСТВА И ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПТ

В РЕЖИМЕ С ПРЯМЫМИ ТОКАМИ ЗАТВОРА

5.1. Особенности работы ПТ в режиме с прямыми

токами затвора

Режим с прямыми токами затвора относится к недостаточно исследованным режимам работы ПТ.

В режиме с прямыми токами затвора могут работать ПТ с переходом, как с n-каналом, так и с p-каналом. В аналогичном режиме могут работать и некоторые типы МДП-транзисторов, имею­щие выводы подложки, образующей с каналами p-n-переходы. В последнем случае МДП-транзисторы работают в режиме с прямыми токами подложки, играющей роль затвора.

Для объяснения принципа работы ПТ в режиме с прямыми тока­ми затвора, рассмотрим эквивалентную схему ПТ по постоянному току, изображенную на рисунке 5.1, а.

а)	б)

Рис. 5.1. Эквивалентные схемы ПТ в режиме с прямыми токами затвора

Здесь r_И и r_С – немодулированные сопротивления истока и стока, r_З – омическое сопротивление затвора. Распределенное сопротивление канала образуется из сопротивления R_К1…R_Кn, являющихся функциями напряжений U_ЗИ и U_СИ. Входная цепь ПТ отделена от выходной посредством диодов VD₁…VD_n. Рассматриваемая эквивалентная схема справедлива для ПТ с каналом p-типа, например, КП103. Семейство выходных характеристик транзистора КП103 приведено на рисунке 5.2, а.

а)
б)

Рис. 5.2. Характеристики ПТ в режиме с прямыми токами затвора

Предположим, что прибор ра­ботает при постоянном токе стока в пологой области стоковых ха­рактеристик. Если уменьшать напряжение U_ЗИ до отрицательной величины, превышающей контактную разность потенциалов p-n-пе­рехода, в цепи затвора начинает протекать прямой ток. Вследствие модуляции проводимости это будет вызывать увеличение проводи­мости области канала вблизи истока. Диодно-резистивная цепь обеспечивает распределение результирующего тока затвора между всеми диодами по мере увеличения отрицательного напряжения U_ЗИ. Значительные токи затвора приводят к созданию большой концентра­ции носителей в канале и, следовательно, к существенному пониже­нию сопротивления сток-исток. Так как ток стока поддерживается постоянным, то рабочая точка прибора перейдет из пологой облас­ти в омическую область.

Стоковые характеристики в режиме с прямыми токами затвора напоминают выходные характеристики биполярных транзисторов. В указанном режиме для ПТ целесообразно в качестве входного параметра использовать ток затвора, а усилительные свойства прибора характеризовать коэффициентом усиления по току ^·. Зависимости ^· от тока затвора для некоторых типов отечествен­ных ПТ приведены на рисунке 5.2, б. Необходимо отметить, что величина ^· в сильной степени зависит от тока стока. С ростом тока стока ^· резко падает и принимает значение меньшее единицы. Исходя из этого, иногда делают вывод о неэффективности приме­нения ПТ в качестве прибора для переключения больших токов.

Ввиду сложности эквивалентной схемы, приведенной на рисунке 5.1, а, в последующем анализе используется упрощенная схема с сосредоточенными параметрами, изображенная на рисунке 5.1, б. Реализовать выпрямительные свойства перехода затвор-канал мож­но в схеме затворного детектора. В последнем случае рабочая точка ПТ выбирается в пологой области стоковых характеристик при нулевом или небольшом прямом смещении в цепи затвора.

Для целей детектирования используется нелинейность харак­теристики , усиление продетектированного сигнала осуществляется в стоковой цепи. В результате детектирования на резисторе нагрузки в цепи затвора создается запирающее выпрямленное напряжение, величина которого изменяется в соот­ветствии с амплитудой входного напряжения. Стоковый ток ПТ содержит постоянную составляющую и переменные с частотой моду­ляции  и с частотой сигнала . Для того, чтобы на сто­ковой нагрузке выделялось напряжение с частотой , но почти не выделялось напряжение с частотой , стоковая на­грузка шунтируется емкостью определенной величины. Основной недостаток затворного детектора состоит в сравнительно больших нелинейных искажений как слабых, так и сильных сигналов. Иска­жение слабых сигналов обусловлено квадратичной зависимостью выпрямительного тока от амплитуды сигнала. При больших сигна­лах, напряжение смещения рабочей точки приближается к направ­лению отсечки ПТ. При этом наблюдается явление стокового де­тектирования, которое создает увеличение постоянной составляю­щей стокового тока, т.е. действует обратному затворному детекти­рованию.

В некоторых случаях ПТ в режиме с прямыми токами затвора целесообразно использовать в усилителях мощности входного сигнала. На вход последних подают такие амплитуды сигнала, что в некоторые моменты в цепи затвора появляется ток. Это позво­ляет увеличить амплитуду тока в цепи стока и повысить снимае­мую с каскада мощность. Недостатками такого режима в апериоди­ческих каскадах являются большие нелинейные искажения из-за нелинейной зависимости , потребление существенной мощности от предшествующих каскадов, которые должны иметь ма­лые выходные сопротивления. Режим с прямыми токами затвора целесообразно использовать в селективных каскадах усиления мощности, так как он позволяет лучше использовать характеристи­ки ПТ. В последнем случае высшие гармоники выходного тока от­фильтровываются контурами.

В ряде электронных устройств может найти применение комби­нированный режим работы ПТ, предложенный автором данной работы. В последнем случае ПТ работает с прямыми токами затвора и в режиме управляемого сопротивления. Такой режим работы реализу­ется при управлении входной цепью ПТ одиночными радиоимпульсами с амплитудой, превышающей контактную разность потенциалов и напряжение отсечки ПТ. По окончании радиоимпульса ПТ оказывает­ся запертым напряжением на конденсаторе в цепи затвора. Разряд конденсатора происходит через чрезвычайно большое сопротивление запертого p-n-перехода ПТ. При этом ПТ работает в качестве управляемого сопротивления, длительное время сохраняя минималь­ное значение выходной проводимости канала. По окончании разряда упомянутого конденсатора транзистор возвращается в исходное сос­тояние, при котором выходная проводимость максимальна.