В статье «Высококачественный усилитель ПЧ звука», опубликованной в журнале «Радио» (1985, № 2, с. 30-32), описывается УПЧЗ, предназначенный для приема звуковых сопровождений телевизионных передач при использовании двухканальной схемы. В такой системе параллельно с усилителем промежуточной частоты изображения подключается УПЧЗ, настроенный на частоту 31,5 МГц, к выходу селектора каналов телевизора.
Проходя через этот блок, сигнал звукового сопровождения детектировался в квадратурном частотом детекторе без необходимости преобразования в дополнительную промежуточную частоту (6,5 МГц). В данной статье предложен альтернативный вариант такого усилителя УПЧЗ, сохранивший все положительные стороны предыдущей конструкции, однако отличающийся значительно улучшенными характеристиками благодаря использованию цепи фазовой автоматической подстройки частоты (ФАПЧ) при детектировании модулированного сигнала (ЧМ).
Основные параметры устройства выглядят следующим образом:
- Предел чувствительности при отношении сигнал/шум 26 дБ, измеренной в условиях с цепью коррекции предыскажений при девиации частоты ±15 кГц и модуляционной частоте 1 кГц, составляет 5 мкВ;
- Отношение сигнал/шум, измеренное при девиации ±50 кГц, при том же модуляционном режиме и входном напряжении 1 мВ, равно 80 дБ;
- Коэффициент гармонических искажений не превышает 0,2%;
- Выходное напряжение при девиации 50 кГц достигает 250 мВ;
- Среда питания подается стабилизированным источником напряжения 12 В;
- Расчетный потребляемый ток составляет около 25 мА.
Дополнительно, для повышения стабильности и качества работы, рекомендуется использовать кварцевый резонатор высокой точности для автоматической подстройки частоты ФАПЧ. Также может быть реализована схема автоматического отключения усилителя при появлении сильных помех или нестабильных условий работы, что повысит надежность устройства. При проектировании следует учитывать возможность интеграции фильтров для подавления лишних гармоник и шумов, а также применение низкофоновых элементов для минимизации интермодуляционных искажений в конечной усилительной цепи.
Принципиальная схема
На изображении представлена принципиальная схема этого усилителя. Входной сигнал модулирующей частоты 31,5 МГц усиливается и обрабатывается каскадом, собранным на транзисторах VТ1 и VТ2 по схеме каскадного усилителя, а также усилителем на базе микросхемы DA1. После этого сигнал проходит через трехконтурный фильтр сосредоточенной селекции (ФСС), состоящий из компонентов L1, C4, L2, C6, L3, C7, L4, C8, L5, C9, L6, который выделяет необходимую частоту.
Демодуляция звука реализуется через частотный детектор, использующий цепь с ФАПЧ, собранный на микросхеме DA2 и транзисторе VТ4. В микросхеме DA2 реализована функция фазового детектора и усилителя постоянного тока. Полевой транзистор VТ4 обеспечивает работу генератора, управляемого напряжением (ГУН), а частота этого генератора регулируется варикапной матрицей VD1.
Постоянное смещение напряжения, равное 7 В, создается в цепи, связанной с матрицей, а ее рабочая частота изменяется при изменениях этого напряжения по приблизительно линейной зависимости. В результате качество выходного звукового сигнала достигает минимальных гармонических искажений. Конденсатор C18 с резистором R9 образуют интегрирующий фильтр в цепи ФАПЧ.
Напряжение автоматической подстройки частоты гетеродина на селекторе каналов снимается с вывода 2 микросхемы DA2. При увеличении входной частоты сигнала на входе устройства напряжение АПЧ уменьшается. Пины 1, 4, 6, 9 и 14 микросхемы DA2 соединены с общим проводом. Эмиттерный повторитель на транзисторе VT3 обеспечивает устранение влияния нагрузки на работу ГУН. Цепь R14 с C23 предотвращает ухудшение АЧХ на высоких частотах, что важно при приеме стереофонических радиопередач. В случае одноканального или монофонического приема рекомендуется использовать цепь предыскажений R17 с C27.
Рисунок 1 иллюстрирует принципиальную схему усилителя ПЧ звука с ФАПЧ.
Электропитание устройства осуществляется от стабилизированного источника +12 В.
Конструктивно усилитель повторяет принципиальную схему, описанную ранее. Катушку L7 ГУН желательно расположить подальше от входа УПЧЗ. Схему платы можно оставить без экранировки.
Обмотки L1, L3, L5 и L8 — это контурные катушки, намотанные проводом ПЭВ-1 диаметром 0,25 мм на полистирольных каркасах длиной 15 мм и диаметром 5 мм. Три первые содержат по 11 витков, а последняя — 25 витков. Обмотки связи L2, L4, L6, L7 выполнены из по два витка ПЭВ-1 0,1 мм, намотанных рядом с соответствующими контурными катушками.
Обмотка L7 наматывается вдвое, затем соединяется перемычкой, которая служит ее средним выводом. Все катушки ФСС помещены в экраны из карбонильного железа диаметром 4 мм и длиной 10 мм, а катушка ГУН — в латуневый подстроечник диаметром 4 мм и длиной 8 мм.
Все катушки размещены внутри защитных экранов, припаянных к фольге, которая покрывает сторону деталей. В конструкции применяются резисторы МЛТ, конденсаторы К50-6 или К50-16, К10-7В и КД.
Налаживание
Для настройки усилителя сначала регулируют ток через транзисторы VТ1 и VТ2, добиваясь его значения около 3-4 мА, изменяя при этом резистор R3. Далее проводят настройку ФСС с помощью специального измерителя АЧХ, например, Х1-48. Выход измерителя подключают к входу УПЧЗ, а катушку связи L6 — к тестовому выходу каждого контура. Путем вращения подстроечных элементов катушек добиваются резонанса на частоте 31,5 МГц, что подтверждается измерительными приборами.
Полоса пропускания ФСС на уровне -6 дБ должна составлять примерно 800 кГц. После этого регулируют напряжение смещения на варикапной матрице VD1, устанавливая его около 7 В при помощи резистора R8. Далее подключают измеритель АЧХ к выходу УПЧЗ (без катушки) и по вращению подстроечника катушки ГУН добиваются совпадения середины S-кривой с целевой частотой 31,5 МГц. В финале настройку производят, подавая тестовые сигналы с генератора ЧМ, например, Г4-70.
Автор публикации: В. Богданов, В. Павлов, г. Ленинград. Журнал «Радио», 1989, № 11.
Принципы работы ФАПЧ в усилителе
Работа системы осуществляется за счет обратной связи: фазовый компаратор сравнивает текущую фазу с опорной, создавая сигнал, пропорциональный разнице. Полученное отклонение обрабатывается фильтром, обеспечивая низкую шумиху и плавность регулировки. На промежуточных этапах устанавливается ограничение по амплитуде, предотвращающее возбуждение нежелательных гармоник и нестабильных режимов.
Регулятор автоматически корректирует параметры генератора, сглаживая скачки и восстанавливая синхронность при изменениях внешних условий. Для стабилизации используется резонансный контур, настроенный на рабочую частоту, что минимизирует влияние внешних шумов и изменяющихся условий окружающей среды. Это обеспечивает высокую точность и стабильность фазового совпадения в условиях эксплуатации.
Ключевым элементом является управление по разнице фаз, которое, в свою очередь, служит для автоматической подстройки внутренней свободной частоты. Такой подход позволяют сохранять заданное значение частоты при воздействии внешних возмущений, применяя корректирующие воздействия, основанные на анализе сигнала с последующей фильтрацией и усилением управляющего напряжения.
Комбинация фильтрационной цепи и фазового сравнивателя позволяет исключить фазовые колебания, обеспечивая плавное и точное ориентирование внутреннего генератора на нужную частоту. В результате достигается соразмерность между входным сигналом и внутренним источником, которая необходима для эффективной обработки сигнала в широком диапазоне условий эксплуатации. И такие принципы применяются в схемах, нацеленных на стабилизацию частотных характеристик систем.
Особенности конструкции на К174УР3 и К174ПС1
При использовании микросхем наблюдается необходимость задания точных элементов временной задержки и фазовых сдвигов, что достигается подбором конденсаторов и резисторов с минимальными допусками. Степень стабилизации частотных характеристик обеспечивается включением специальных элементов компенсации, таких как резисторы и индуктивности, подобранных в соответствии с характеристиками конкретного усилителя.
Параметры схемы требуют аккуратной подгонки цепей частотной коррекции для предотвращения возможных самовозбудителей. Для повышения точности настройки рекомендуется использовать отлаженные макеты с возможностью последующего монтажа на печатные платы. В компонентной базе предпочтение отдаётся безграничному подходу: использовать низкочастотные стабилизаторы и конденсаторы с низким уровнем внутреннего шума.
Кроме того, в конструкциях предусматривается наличие элементов для предотвращения граничных эффектов, таких как резонансные пики. Для этого применяют полосовые фильтры и корректирующие схемы, обеспечивающие равномерность характеристик по всему диапазону рабочих частотных настроек. Такой подход способствует повышению устойчивости системы при эксплуатации в различных условиях с минимальными искажениями.
Технические характеристики и параметры
Диапазон рабочих частот устройства составляет 1,6–30 МГц, что обеспечивает корректную работу в широком спектре радиолюбительских и профессиональных применений.
Уровень входного сигнала, при котором достигается максимальная линейность, равен 10 мВ при входном сопротивлении 50 кОм, что позволяет значительно снизить уровень искажений на входе.
Коэффициент усиления в режиме низкого уровня составляет 50-70 дБ, обеспечивая достаточный сигнал для дальнейших преобразований или обработки.
Параметры стабильности частоты достигают ±5 кГц, что допускает использование в задачах, требующих высокой точности воспроизведения и корректировки частотных характеристик.
Ток потребления не превышает 15 мА при рабочем напряжении 12 В, что уменьшает нагрузку на источник питания и увеличивает КПД системы.
Максимальный размах выходного сигнала без искажений – 2 В при сопротивлении нагрузки 10 кОм, что обеспечивает совместимость с большинством внешних элементов и устройств.
Рабочая температура колеблется в диапазоне минус 40°C до plus 85°C, что гарантирует стабильную работу при экстремальных условиях эксплуатации.
Габаритные размеры схемы не превышают 50?50 мм, что способствует простоте размещения внутри компактных рамы и устройств.
Выходная полярность сигнала зависит от подключения схемы по фазе, что необходимо учитывать при интеграции с внешней аппаратурой.
Резонансные параметры и добротность цепей соответствуют стандартам схемотехники, обеспечивая минимальные паразитные колебания и устойчивую работу при заданных частотах.
Советы по выбору компонентов и их замене
При создании каскадов с активными элементами необходимо уделить особое внимание характеристикам используемых деталей. Для резонансных цепей важно подбирать конденсаторы с высокой стабильностью электролитических компонентов, например, с низким ESR и низким уровнем утечек тока. Рекомендуется использовать керамические или танталовые конденсаторы для фильтрации узлов с высокой частотной стабильностью.
При выборе резисторов предпочтение следует отдавать моделям с минимальным температурным коэффициентом и стабильными характеристиками при длительной эксплуатации. Для балансировки цепей применяют металлические или углеродные резисторы с пригодными для данных условий допусками.
Касательно транзисторов входной и выходной части, рекомендуется использовать модели с повышенной герметичностью и коэффициентом по току не ниже 100, чтобы обеспечить стабильность режима. Для замены транзисторных элементов важно соблюдать полярность и ориентировку, обозначенную на плате или схеме, а также избегать использования деталей с отличающимися по номеру и характеристикам.
Конденсаторы и резисторы следует демонтировать аккуратно, избегая повреждений дорожек. Для закрепления новых компонентов применяйте термостойкий клей или паяльную пасту, тщательно прогревая каждую деталь для обеспечения надежного контакта.
При замене ИМС или микросхем следует обращать внимание на их температурный диапазон и параметры питания. Желательно проверять наличие маркировки и соответствия техническим характеристикам из документации, избегая замен с аналогами с иными номиналами или конструктивными особенностями.
Для обеспечения стабильности работы рекомендуются регулярные измерения параметров схемы после проведения изменений. Используйте высокоточные мультиметры и осциллографы для контроля сигналов на ключевых узлах, что поможет выявить потенциальные несоответствия и своевременно устранить их.
Меры безопасности при сборке и наладке
Перед началом работ необходимо отключить источник питания и проверить отсутствие остаточного напряжения на входных и выходных цепях, чтобы исключить риск поражения электрическим током.
Используйте только исправные инструменты с изоляционными рукоятками, избегайте использования поврежденных или ненадежных приспособлений, чтобы предотвратить короткие замыкания или повреждения элементов схемы.
При работе с полупроводниковыми изделиями соблюдайте правила электростатической защиты: носите антистатические браслеты и используйте антистатические маты, чтобы не повредить чувствительные микросхемы.
Перед монтажом ознакомьтесь с документацией и схемой сборки, внимательно проверяйте полярность и маркировку компонентов, чтобы исключить неправильную посадку и возможную их потерю или повреждение.
Паяльниковое оборудование должно быть исправно, с заземленным корпусом, а температура паяльника не должна превышать рекомендуемые значения для используемых элементов, чтобы избежать их повреждения.
Во время пайки не накрывайте компоненты влажными материалами, избегайте попадания флюса на контакты, а также используйте защитные очки для предотвращения попадания воздуха и глаз в случае разбрызгивания расплавленного припоя.
Контролируйте температуру и время обработки компонентов, особенно чипов и микроэлементов, чтобы избежать их деградации или деформации. При повреждении компонентов замените их на исправные экземпляры.
Обеспечьте хорошую вентиляцию рабочей зоны, чтобы избежать накопления паров флюса или вредных веществ, выделяющихся при пайке или тестировании схемы.
При наладке устройства избегайте коротких замыканий, используйте тестовые инструменты для проверки правильности соединений, и не превышайте установленные параметры питания для предотвращения перегрева и выхода из строя компонентов.
Примеры использования и практические рекомендации
Контроллер частотных характеристик на базе схемы с активным синхронным детектором обеспечивает стабильное стабилизационное давление в высокочастотных цепях радиопередатчиков с малым уровнем шумов и низким уровнем искажения сигнала.
Для настройки модуля в радиокоммуникационных системах рекомендуется использовать тестовые генераторы с точностью не менее 0,1%, чтобы достичь минимальных отклонений по частоте и обеспечить стабильную работу фазового обратного отсчета.
При реализации схемы на базе указанных компонентов необходимо тщательно подобрать элементы фильтрации на входе и выходе, исключая паразитные резонансы и уменьшая влияние электромагнитных помех.
Для повышения точности стабилизации рекомендуется использовать внешние компоненты с низким уровнем шумов, а также предусмотреть возможность регулировки уровня входного сигнала для компенсации возможных изменений частотных характеристик в процессе эксплуатации.
Практический опыт показывает, что при использовании таких цепей в приемных устройствах существенно повышается стабильность локальных осцилляторов, что особенно важно при работе в условиях нестабильных помеховых ситуаций и длинных линий передачи.
Настройки системы рекомендуется проводить в условиях, приближенных к реальным рабочим, с учетом температуры окружающей среды и возможных колебаний напряжения питания. В случае необходимости допускается использование дополнительных стабилизаторов питания для снижения уровня помех в электросхеме.
При сборке рекомендуется обеспечить хорошую экранировку и минимизировать длину соединительных проводов для снижения паразитных индуктивностей и усиления стабильности цепи.
