Пусть у нас имеется отдельная антенна дециметрового диапазона, установленная на довольно значительном расстоянии от телевизора вне помещения. Качество приема телевизионных станций в данном диапазоне (450...800 МГц) нас не удовлетворяет и мы хотим его улучшить (заметим, что эти станции все-таки принимаются, хотя и плохо). Вещание в дециметровом диапазоне происходит из той же точки, откуда мы с приемлемым качеством принимаем станции метрового диапазона. Менять местоположение и конструкцию антенны мы не хотим.

Первое, что приходит в голову, -- это низкая эффективность применяемой нами ДМВ-антенны. Однако на практике телевизионные антенны ДМВ обычно имеют гораздо более сложную конструкцию и более эффективны, чем типичные бытовые антенны метрового диапазона. Причина в другом -- энергия излучения телевизионных передатчиков, используемых на телецентре, очень часто ниже в диапазоне ДМВ, чем в диапазоне МВ (это обусловлено, в основном, не столько техническими, сколько организационными факторами: менее "крутым" каналам -- менее "крутые" частоты и технику), а кроме этого, и затухание дециметровых волн в атмосфере гораздо выше. В результате энергия полезного сигнала, принятая антенной и переданная в кабель, очень мала. Дополнительную лепту вносит сам кабель, соединяющий антенну с телевизором. Ведь с увеличением частоты увеличивается и удельное затухание сигнала в кабеле. Так что до телевизора доходит лишь слабенький, забитый шумами сигнал, который уже не может обеспечить надлежащее качество. Выходом из положения является применение антенного усилителя, который повысит мощность полезного сигнала, поступающего в телевизор.

Заметим, что определенное влияние на качество приема имеет чувствительность самого телевизора. Современные телевизоры имеют очень высокую чувствительность, и мы будем исходить из того, что раз уж сигнал не может быть с надлежащим качеством воспроизведен самим телевизором, то и все наши меры по его дополнительному усилению непосредственно перед передачей в телевизор не имеют смысла. Так что усиливать сигнал надо сразу после приема его антенной -- до того, как он будет существенно ослаблен из-за затухания в длинном кабеле. А это означает, что наш усилитель будет находиться там же, где и антенна, -- вне помещения, подвергаясь при этом самым разнообразным природным воздействиям. Все это нам предстоит учесть при проектировании.

Перво-на-перво, нам следует определиться с тем, какое конкретно усиление мы хотим получить от нашего усилителя. Во многом это зависит от длины и типа примененного кабеля, а также от чувствительности телевизора. В большинстве случаев уровень в 10...15 дБ можно считать вполне приемлемым, так что будем стремиться именно к нему.

Теперь наконец мы можем приступить и к построению блок-схемы нашего усилителя. Начнем со входного узла.

Итак, перед нами стоит задача усилить очень слабый высокочастотный сигнал, внеся в него при этом минимум искажений (шумов). По всей видимости, с этой задачей лучше всего справится один из рассмотренных нами усилителей с ОБ. Например, усилитель с внутрикаскадной трансформаторной ООС, изображенный на рис. 5.23. Посмотрим, какие у нас могут возникнуть проблемы.

Усилители с ОБ характеризуются относительно низким по сравнению с каскадами с ОЭ динамическим диапазоном и повышенной склонностью к самовозбуждению. В нашем случае узкий динамический диапазон может стать некоторой преградой. Дело в том, что мощные сигналы, излучаемые телецентром в метровом диапазоне волн, могут попасть на вход усилителя и возбудить его. Чтобы предотвратить это, нам придется включить на входе первого каскада фильтр высоких частот, который будет подавлять нежелательные сигналы и обеспечит устойчивую работу усилителя. Дополнительной функцией такого фильтра станет согласование импедансов между антенным кабелем и входом первого усилительного звена. Все остальные части усилителя мы будем стараться выполнить максимально широкополосными. Это необходимо, во-первых, потому что диапазон ДМВ достаточно широк, а во-вторых, для обеспечения минимального уровня искажений усиливаемого сигнала.

После прохождения первого каскада усиления уровень полезного сигнала уже может оказаться довольно высоким (однако, учитывая наличие ФВЧ, усиление на 10...15 дБ достигнуто не будет). Это означает, что строить последующий каскад также по схеме с ОБ несколько рискованно - придется опять решать проблему динамического диапазона. Поэтому во втором каскаде усилителя применим решение с ОЭ. Например, схему с трансформаторной ООС, представленную на рис. 5.11. Мы опять используем решение с широкополосным трансформатором, поскольку именно оно в данном случае наилучшим образом отвечает нашим требованиям.

Двух каскадов усиления уже достаточно для достижения поставленной задачи (10...15 дБ), и мы можем перейти к следующему вопросу - организации питания и способам задания исходных рабочих точек всех элементов усилителя.

Здесь пришла пора снова вспомнить об условиях, в которых будет эксплуатироваться наш усилитель. А это, во-первых, широкий диапазон температур окружающей среды (-30...+40°С), а во-вторых, значительная удаленность от источника питания (если только мы не станем использовать батарейку, закрепляемую рядом с усилителем). Широкий температурный диапазон означает, что мы должны принять особые меры по стабилизации исходных рабочих точек для всех транзисторов усилителя, а удаленность от источника питания - что из-за длинного шлейфа питания, возможно, проходящего вблизи разнообразных источников наводок, напряжение, подаваемое к усилителю, не будет стабильным. Анализируя условия работы первого каскада, мы неизбежно придем к заключению, что для него высокая стабильность режима по постоянному току - это одно из важнейших требований, к соблюдению которого мы должны приложить максимум усилий. Действительно, от текущего режима работы транзистора по постоянному току довольно сильно зависят такие показатели, как: коэффициент усиления, коэффициент шума, динамический диапазон. А мы никак не можем допустить сколь-либо значительного дрейфа этих параметров (по крайней мере, во входном каскаде нашего усилителя). Таким образом, нам необходимо принять особые меры по обеспечению стабильности исходной рабочей точки в первом каскаде. Требуемую стабильность нельзя обеспечить с помощью таких простых цепей смещения, как подробно рассмотренные нами в главе 3, - мы должны использовать более сложное решение, например один из вариантов с источником тока, показанный на рис. 3.40. При рассмотрении высокочастотных усилителей с ОБ мы уже приводили пример с источником тока (рис. 5.31), им и воспользуемся.

Требования к стабильности исходной рабочей точки во втором каскаде оказываются не столь жесткими, и мы можем слегка "расслабиться" и применить, например, схему эмиттерно-базовой стабилизации с ООС по току и напряжению с дополнительным термокомпенсирующим диодом (рис. 3.18 и рис. 3.23).

Поскольку напряжение питания может оказаться нестабильным, нам придется встроить в усилитель простейший стабилизатор напряжения, постаравшись и в нем обеспечить высокую температурную устойчивость.

Итак, мы определились с деталями исполнения обоих усилительных звеньев и системы питания. Осталось только пару слов сказать о входном фильтре. Он может быть достаточно простым, поскольку у нас нет надобности в особенно высокой избирательности. На практике удобнее всего оказывается обычный Т-образный фильтр 3-го порядка (два конденсатора и одна индуктивность), вносящий относительно небольшое затухание в полезный сигнал.

Наконец мы можем построить полную блок-схему нашего будущего усилителя. Она представлена на рис. 6.4.

Рис.6.4. Блок-схема антенного усилителя

Выбор элементной базы и построение полной принципиальной схемы

В нашем случае выбор элементной базы в первую очередь состоит в выборе двух маломощных высокочастотных транзисторов, которые мы будем использовать в основных усилительных звеньях. Основное требование к этим транзисторам - высокая граничная частота коэффициента передачи тока базы (если мы хотим обеспечить равномерную АЧХ во всем диапазоне 450...800 МГц и иметь минимум проблем при настройке усилителя, то нам необходимо выбирать транзисторы с граничной частотой порядка 4.,.8 ГГц).

С точки зрения соотношения цена/качество вполне приемлемыми оказываются приборы типа КТ3101А-2. В выбранном частотном диапазоне они обеспечивают коэффициент шума на уровне менее 2 дБ, а граничная частота коэффициента передачи тока составляет порядка 4,5 ГГц. Конечно, мы можем использовать и более высокочастотные транзисторы, например КТЗ 115 или КТЗ 132 ( ГГц), однако это в большинстве случаев уже не является оправданным с ценовой точки зрения.

Рис. 6.5. Транзистор Ш101А-2

Приведем здесь некоторые важнейшие справочные данные о транзисторе КТ3101А-2 (в дальнейшем они нам понадобятся для выбора режима работы по постоянному току).

* Статический коэффициент передачи тока в схеме с ОЭ (ст) При =1В, = 5мА:

Т=+25°С 35...300;

Т=-60°С 17,5...300;

Т=+125°С 35...500.

* Граничная частота коэффициента передачи тока базы при
= 5В, = 10мА (типовое значение): ...4,5 ГГц.

* Минимальный коэффициент шума при

= 2 В, = 2 мА, f= 1 ГГц

(типовое значение): 1,9 дБ.

* Оптимальный коэффициент усиления по мощности при

= 2 В, = 2 мА, f = 1 ГГц (типовое значение): 7 дБ

* Обратный ток коллектора при = 15 В:

Т=+25°С……………………………………...0,5 мкА

T=+125°С…………….……………………….…5мкА

* Максимальное постоянное напряжение

коллектор-база:…………………………………..……15 В

* Максимальный постоянный ток коллектора

и эмиттера:………………………………………..….20 мА

* Максимальная постоянная рассеиваемая мощность

коллектора при Т +45°С:………………………...100 мВт

Из представленных данных видно, что оптимальное (по соотношению сигнал/шум) значение коэффициента усиления по мощности достигается при = 2 В, = 2 мА. Было бы логичным выбрать именно эти значения для режима работы транзистора первого каскада. Однако вспомним о том, что нам необходимо иметь относительно широкий динамический диапазон. Поэтому несколько изменим эти показатели в сторону увеличения и выберем для первого каскада: = 4 В, = = 4 мА. Динамический диапазон второго каскада должен быть еще шире, и, хотя здесь мы уже применяем схему с ОЭ, нам придется еще раз увеличить все электрические показатели по постоянному току. Для второго каскада выберем: = 6 В, = = 10 мА. Теперь нам осталось определиться с элементами в источнике тока и стабилизаторе напряжения. Это низкочастотные узлы, в которых нет смысла применять какие-то особенные транзисторы. Поэтому договоримся использовать широко распространенные приборы КТ3102 (когда нам нужен транзистор п-р-п-типа) или КТ3107 (когда нам нужен транзистор р-п-р-типа). Такой же принцип (дешевизна и широкое распространение) будем использовать и при выборе всех остальных элементов устройства (диоды, стабилитроны и т.п.).

В качестве внешнего источника питания применим простейший маломощный сетевой источник бытового назначения (от калькулятора, телефона, плейера и т.п.) с выходным напряжением 12 В. Для подачи питающего напряжения в усилитель можно было бы использовать сам антенный кабель. Но мы упростим себе жизнь, если предусмотрим отдельный шлейф для напряжения питания (не надо включать ряд согласующих элементов, увеличивающих к тому же потери сигнала).

Приняв во внимание все изложенные выше рассуждения, мы наконец можем построить полную принципиальную схему нашего усилителя. Она представлена на рис. 6.6.

Казалось бы, теперь пора перейти к следующему шагу проектирования - расчету номиналов элементов. Однако правильнее будет проанализировать полученную принципиальную схему на предмет оптимального построения согласующих цепей, расположенных на стыках отдельных звеньев. Ведь мы брали просто типовые схемные решения и не рассматривали вопросы правильного согласования их между собой.

Рис.6.6. Схема антенного усилителя предварительный вариант

Внимательное рассмотрение первого звена показывает, что резисторы выполняют схожие в чем-то функции, и мы можем слегка модифицировать схему, совместив

эти два резистора. При этом образуется дополнительный контур обратной связи по напряжению. В то же время для сохранения баланса в каскаде нам придется ввести дополнительный резистор в коллекторную цепь транзистора VT2 Итоговая схема модифицированного таким образом звена представлена на рис. 6.7.

Теперь обратимся к вопросу согласования импедансов в точке соединения первого и второго каскадов усилителя. Вспомним, что входное сопротивление усилителя с ОЭ, примененного во втором каскаде, довольно велико (> 1 кОм). В свою очередь, выходное сопротивление первого каскада с ОБ в рассматриваемом случае составляет десятки ом (~ 50 Ом). Для достижения Согласования мы можем прибегнуть к нескольким методам. Например, задав индуктивность дросселя L3 такой, чтобы в рабочем диапазоне частот его эквивалентное сопротивление приблизительно равнялось выходному сопротивлению первого каскада. Однако диапазон рабочих частот усилителя весьма широк и эквивалентные сопротивления 13 на краях этого диапазона окажутся сильно различающимися, так что достичь полного согласования будет нельзя. Самое простое в данном случае - заменить дроссель L3 на обыкновенный резистор, чье сопротивление не зависит от частоты и будет оставаться одинаковым при любом входном сигнале. Вместо L3 мы также можем использовать дополнительный согласующий трансформатор на входе второго каскада (аналогично рис. 5.27). И наконец, наиболее радикальное решение - модификция трансформатора Тр1 с целью получения более высокого выходного импеданса Тут стоит отметить, что избежать всех этих сложностей с согласованием мы могли бы в том случае, если бы вместо схемы с ОЭ стали использовать во втором каскаде схему с ОБ, аналогичную той, что мы применили в первом каскаде усилителя. Практика показывает, что в данном случае итоговая настройка усилителя была бы несколько проще. Но здесь мы руководствовались только теоретическими критериями и выбрали иное решение. Будем придерживаться нашего выбора и далее, однако обратим внимание читателя на то, что при проектировании любых устройств немалое значение играет и практический опыт. Что же касается конкретного усилителя, то при его повторении можно использовать как решение с ОЭ, так и решение с ОБ, оставляя неизменными цепи смещения и режимы работы транзисторов по постоянному току.

Нельзя назвать построенную нами схему идеальной. Однако вспомним, что при ее составлении мы опирались только на такие схемотехнические решения, работа которых нами подробно изучена в предыдущих главах настоящей книги. Тем не менее эта схема вполне работоспособна, и мы можем приступить к ее окончательному расчету.

Расчет параметров всех элементов

Нет необходимости расписывать данный пункт слишком подробно. Тем более что для расчетов мы будем использовать компьютер, а интерес для нас представляют только окончательные результаты. Имеет смысл пояснить только некоторые базовые положения.

Катушка входного фильтра L1 бескорпусная, наматывается медным (желательно посеребренным) проводом диаметром 0,3...0,8 мм на оправке диаметром 6 мм. Количество витков - 6.

Дроссели 12,13 могут иметь различное конструктивное исполнение. Например, можно использовать обычные резисторы с высоким сопротивлением (~1 Мом), на которые наматывается тонким медным изолированным проводом 20...50 витков, а концы провода подпаиваются к выводам резистора.

Рис.6.8. Окончательная принципиальная схема антенного усилителя

Разработка конструктивного исполнения, сборка и настройка

Конструирование столь высочастотных устройств как рассматриваемый нами антенный усилитель сопряжено с рядом больших проблем. Это обусловлено тем, что на высоких частотах приходится учитывать множество паразитных эффектов и свойств применяемых компонентов. На практике это выражается в необходимости экранировать все, что можно, и минимизировать размеры всех элементов и соединительных проводников, через которые протекают высокочастотные сигналы. Говоря о любительском конструировании, заметим, что выбранный нами частотный диапазон (450...800 МГц) лежит вблизи того предела, где еще можно что-то сделать голыми руками (без применения специального дорогостоящего оборудования), и решаемые здесь проблемы, пожалуй, достаточно сложны даже для относительно опытных радиолюбителей, а тем более для новичков. Мы не станем особенно подробно расписывать процесс разработки печатной платы и критерии, которыми мы должны пользоваться, продумывая размещение компонентов друг относительно друга. Окончательный макет антенного усилителя показан на рис. 6.9. На рис. 6.10 отдельно приведен чертеж печатной платы (две стороны).

.

Рис.6.9. Размещение элементов на плате антенного усилителя

Прежде всего отметим, что печатная плата двухсторонняя. С той стороны, где располагаются компоненты, - это в основном экранирующий слой, соединяемый с землей схемы. К его поверхности припаиваются экранирующие перегородки из луженой жести, а также те выводы деталей, которые на схеме заведены на землю. На обратной стороне платы располагаются проводники, по которым не протекают высокочастотные сигналы, т.е. они относятся только к цепям смещения. Выводы всех деталей в высокочастотной части укорачиваются до минимума. При их пайке следует соблюдать максимальную осторожность, чтобы не вывести из строя перегревом. Перед изготовлением широкополосных трансформаторов следует учесть их расположение относительно других компонентов на плате и соответственным образом разместить на них обмотки

Рис.6.10. Чертеж печатной платы антенного усилителя (масштаб 1:1)

Настройку усилителя начинают с регулировки стабилизатора и установки заданных режимов работы транзисторов по постоянному току. Выходное напряжение стабилизатора на транзисторах VТЗ, VТ4 в очень незначительных пределах может регулироваться резистором R7, в основном же оно зависит от напряжения стабилизации стабилитрона VD2. Применение указанного на схеме прибора Д814А обеспечивает выходное напряжение порядка 10 В. Если же его заменить, например на КС 168, то выходное напряжение составит около 9 В. Для нашей схемы важно, чтобы это напряжение было стабильным, его же абсолютная величина может выбираться из соображений удобства в диапазоне 8... 15 В. При изменении указанного на схеме значения 10 В следует откорректировать номинал резистора R9 так, чтобы напряжение на конденсаторе С11 при заданном токовом режиме (20 мА) составляло 8 В. Напряжение, подаваемое от внешнего источника питания, должно быть выше выходного напряжения стабилизатора (10 В) не менее чем на 1,5...2 В. При установке режимов работы по постоянному току в транзисторах основных усилительных каскадов может потребоваться подбор номинала сопротивления R3. Все остальные регулировки осуществляются только подстроечными резисторами R1 и R12.

Дальнейшая настройка усилителя сводится к подбору параметров широкополосных трансформаторов. От их конструктивного исполнения зависят практически все характеристики схемы. Значение имеют не только общее количество витков и глубина обратной связи (задается коэффициентом трансформации), но и особенности скручивания проводников, а также размещение обмоток на сердечнике.

Практика показывает, что в трансформаторе Тр1 лучше вообще не скручивать проводники обмоток, а просто разместить их на сердечнике вплотную или на небольшом расстоянии друг от друга. Глубина обратной связи в первом каскаде также не должна быть слишком сильной. При возникновении самовозбуждения можно пропорционально увеличить количество витков во всех обмотках (относительно указанного на схеме) в 1,5...3 раза. В трансформаторе Тр2, наоборот, следует скручивать проводники как можно плотнее. Глубина обратной связи подбирается здесь исходя из условия сохранения устойчивости усилителя. Общее количество витков также может быть пропорционально увеличено. Параметры выходной обмотки для достижения хорошего согласования с нагрузкой требуют подбора (скорее всего придется уменьшать количество витков в ней). Настройку входного фильтра можно произвести непосредственно наблюдая качество телевизионного изображения.

Следует заметить, что разработанная нами схема не является оптимальной для выбранного частотного диапазона и получить от нее требуемое усиление на ДМВ может оказаться довольно трудной задачей. Основная проблема уже называлась выше - значительное затухание высокочастотных сигналов на широкополосных трансформаторах. В то же время ее нельзя назвать и совершенно бесполезной. При минимальной модификации или исключении входного фильтра наш усилитель без каких-либо дополнительных доработок может использоваться и в метровой части диапазона (50...400 МГц). В этом случае его настройка значительно упрощается, поскольку основным требованием остается только отсутствие самовозбуждения, а вполне приличное усиление обеспечивается даже при сильном рассогласовании.

4. Краткий обзор нескольких простых схем