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