Результат интеллектуальной деятельности: Полосовой усилитель четвертого порядка

Изобретение относится к радиотехнике и предназначено для усиления принимаемых сигналов в КВ диапазоне.

Целью изобретения является увеличение динамического диапазона входных сигналов за счет снижения уровня собственных шумов.

Известен полосовой усилитель, содержащий широкополосный усилитель и полосовой LC-фильтр, состоящий из двух параллельных колебательных контуров с емкостной связью (фиг. 1) (см. Поляков В.Т. Радиолюбителям о технике прямого преобразования. - М.: Патриот, 1990, стр. 113, рис. 52).

Недостатком такого устройства является низкий динамический диапазон, ограниченный снизу уровнем собственных шумов RLC-цепи (фильтра) и широкополосного усилителя.

Это объясняется тем, что полосовой фильтр, реализованный на связанных параллельных контурах (фиг. 1), имеет коэффициент передачи по напряжению в полосе пропускания h₀=0,5 и требуемый коэффициент усиления всей цепи Н₀, равный произведению коэффициента передачи LC-цепи h₀ и коэффициента усиления интегрального усилителя K:

приводит к необходимости увеличения коэффициента усиления K. Увеличение коэффициента усиления K приводит к увеличению спектральной плотности шумов на выходе усилителя, что снижает динамический диапазон. Динамический диапазон, в свою очередь, имеет прямую зависимость от величины отношения максимально допустимого напряжения к уровню напряжения шума на выходе усилителя. Напряжение шума на выходе схемы вычисляется как произведение спектральной плотности шумов на величину полосы пропускания избирательной цепи, поэтому динамический диапазон избирательного усилителя (прототипа) будет низким из-за большого коэффициента усиления K.

Техническим результатом заявленного устройства является повышение динамического диапазона за счет снижения уровня шумов в избирательном усилителе высокой частоты путем повышения коэффициента передачи фильтра h₀ и применения обратной связи с выхода усилителя на вход фильтра.

Технический результат достигается тем, что в известном устройстве, содержащем интегральный усилитель, первый и второй резисторы, первый и второй конденсаторы, первую и вторую катушки индуктивности, причем первый конденсатор первым выводом соединен с общей шиной, а вторым выводом - с первым выводом второго конденсатора, второй вывод которого соединен со входом интегрального усилителя и с первыми выводами второй катушки индуктивности и второго резистора, вторые выводы которых соединены с общей шиной, а выход интегрального усилителя является выходом устройства; первый резистор первым выводом соединен со входом устройства, а вторым выводом - с первым выводом первой катушки индуктивности, отличающийся тем, что второй вывод первой катушки индуктивности соединен с точкой соединения первого и второго конденсаторов и дополнительно введен третий резистор, который первым выводом соединен с выходом устройства, а вторым выводом - с точкой соединения первого резистора и первой катушки индуктивности.

Сущность изобретения заключается в том, что при построении полосового фильтра в виде соединения двух LC-цепочек из последовательного соединения элементов индуктивности и емкости позволяет одновременно входной сигнал отфильтровать по частоте и увеличить его по уровню в Q раз ( - добротность контура). Увеличение уровня на выходе фильтра связано с резонансом напряжений в последовательном колебательном контуре (напряжение на реактивных элементах может в несколько раз превышать напряжения источника сигнала) (В.П. Попов Основы теории цепей: Учебник для вузов. - 3-е изд., испр. – М.: Высшая школа, 2000, стр. 181). Формируя полосовой фильтр из LC- и CL-цепочек, можно добиться определенного увеличения уровня сигнала в заданной полосе частот. Такое увеличение уровня составляет несколько единиц и зависит от требуемого коэффициента перекрытия по частоте K_ƒ=ƒ_max/ƒ_min.

Уровень спектральной плотности шума на выходе усилителя можно определить следующим выражением (см. Змий Б.Ф. Синтез линейных устройств обработки сигналов на активных четырехполюсниках высших порядков. Монография. - Воронеж: ВАИУ, 2008. - 325 с., ил, стр. 179):

где G_R,L,C(ƒ) - спектральная плотность шумов фильтра, h(ƒ) - коэффициент передачи фильтра, G_ey(ƒ) - спектральная плотность шумов на входе усилителя, K - коэффициент усиления усилителя.

Как следует из выражения (1), при значениях один и тот же уровень усиления на выходе устройства H₀ можно получить при меньшем коэффициенте усиления усилителя K, а в соответствии с выражением (2) это приводит к снижению уровня шумов (при G_R,L,C(ƒ)=G_ey(ƒ) и h₀=2 спектральная плотность шумов предлагаемой схемы уменьшается в четыре раза по сравнению со схемой прототипа). То есть чем больше h₀, тем меньше коэффициент усиления K и тем меньше уровень спектральной плотности шума на выходе усилителя.

Дополнительно введенный резистор формирует цепь отрицательной обратной связи с выхода устройства на вход фильтра. В этом случае выходные и входные шумы вычитаются на входе фильтра, что дополнительно приводит к снижению уровня шума на выходе устройства, а следовательно, к увеличению динамического диапазона.

На фиг. 2 представлена схема предлагаемого полосового усилителя четвертого порядка, содержащего интегральный усилитель, первый и второй резисторы, первый и второй конденсаторы, первую и вторую катушки индуктивности причем, первый конденсатор первым выводом соединен с общей шиной, а вторым выводом с первым выводом второго конденсатора, второй вывод которого соединен со входом интегрального усилителя и с первыми выводами второй катушки индуктивности и второго резистора, вторые выводы которых соединены с общей шиной, а выход интегрального усилителя является выходом устройства; первый резистор первым выводом соединен со входом устройства, а вторым выводом - с первым выводом первой катушки индуктивности, отличающийся тем, что второй вывод первой катушки индуктивности соединен с точкой соединения первого и второго конденсаторов и дополнительно введен третий резистор, который первым выводом соединен с выходом устройства, а вторым выводом - с точкой соединения первого резистора и первой катушки индуктивности.

На фиг. 3 представлены результаты экспериментального исследования (на моделях) уровней спектральной плотности шумов в схеме прототипа (график 1) и в предлагаемой схеме с обратной связью (график 2) при одинаковых значениях Н₀, которые подтверждают повышение динамического диапазона полосового усилителя четвертого порядка в несколько раз.

Цель изобретения достигнута снижением уровня спектральной плотности шумов более чем в четыре раза по отношению к схеме прототипа за счет увеличения уровня передачи фильтра и применения обратной связи с выхода усилителя на вход фильтра.