Рис. 7.2
При работе усилителя без выходной КЦ, модуль коэффициента отражения || ощущаемого сопротивления нагрузки внутреннего генератора транзистора равен [3]:
|| = , (6.14)
где - текущая круговая частота.
В этом случае уменьшение выходной мощности относительно максимального значения, обусловленное наличием , составляет величину:
, (6.15)
где - максимальное значение выходной мощности на частоте при условии равенства нулю ;
- максимальное значение выходной мощности на частоте при наличии.
Описанная в [3] методика Фано позволяет при заданных и рассчитать такие значения элементов выходной КЦ и , которые обеспечивают минимально возможную величину максимального значения модуля коэффициента отражения в полосе частот от нуля до . В таблице 7.1 приведены нормированные значения элементов , , , рассчитанные по методике Фано, а также коэффициент, определяющий величину ощущаемого сопротивления нагрузки относительно которого вычисляется .
Истинные значения элементов рассчитываются по формулам:
(6.16)
где - верхняя круговая частота полосы пропускания усилителя.
Таблица 7.1 - Нормированные значения элементов выходной КЦ
|
|
|
|
|
|
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
|
0,180
0,382
0,547
0,682
0,788
|
0,099
0,195
0,285
0,367
0,443
|
0,000
0,002
0,006
0,013
0,024
|
1,000
1,001
1,002
1,010
1,020
|
|
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
|
0,865
0,917
0,949
0,963
0,966
|
0,513
0,579
0,642
0,704
0,753
|
0,037
0,053
0,071
0,091
0,111
|
1,036
1,059
1,086
1,117
1,153
|
|
1,1
1,2
1,3
1,4
1,5
|
0,958
0,944
0.927
0,904
0,882
|
0,823
0,881
0,940
0,998
1,056
|
0,131
0,153
0,174
0,195
0,215
|
1,193
1,238
1,284
1,332
1,383
|
|
1,6
1,7
1,8
1,9
|
0,858
0,833
0,808
0,783
|
1,115
1,173
1,233
1,292
|
0,235
0,255
0,273
0,292
|
1,437
1,490
1,548
1,605
|
|
|
Пример 7.1. Рассчитать выходную КЦ для усилительного каскада на транзисторе КТ610А (=4 пФ), при = 50 Ом, =600 МГц. Определить и уменьшение выходной мощности на частоте при использовании КЦ и без нее.
Решение. Найдем нормированное значение : = = = 0,7536. В таблице 7.1 ближайшее значение равно 0,753. Этому значению соответствуют:= 1,0; = 0,966; =0,111; =1,153. После денормирования по формулам (6.16) получим: = 12,8 нГн; = 5,3 пФ; = 43,4 Ом. Используя соотношения (6.14), (6.15) найдем, что при отсутствии выходной КЦ уменьшение выходной мощности на частоте, обусловленное наличием, составляет 1,57 раза, а при ее использовании - 1,025 раза.
7.2. РАСЧЕТ КАСКАДА С РЕАКТИВНОЙ МЕЖКАСКАДНОЙ КОРРЕКТИРУЮЩЕЙ ЦЕПЬЮ ТРЕТЬЕГО ПОРЯДКА
Принципиальная схема усилителя с реактивной межкаскадной КЦ третьего порядка приведена на рис. 7.3,а, эквивалентная схема по переменному току - на рис. 7.3,б [11, 12].
а) б)
Рис. 7.3
Используя однонаправленную эквивалентную схему замещения транзистора, схему (рис. 7.3) можно представить в виде, приведенном на рис. 7.4.
Рис. 7.4
Согласно [2, 11], коэффициент прямой передачи последовательного соединения межкаскадной КЦ и транзистора , при условии использования выходной КЦ, равен:
, (6.17)
где ;
- нормированная частота;
- текущая круговая частота;
- верхняя круговая частота полосы пропускания разрабатываемого усилителя;
; (6.18)
;
, = - нормированные относительно и значения элементов и .
При заданных значениях , , , соответствующих требуемой форме АЧХ каскада, нормированные значения , , рассчитываются по формулам [12]:
(6.19)
где ;
;
;
;
;
;
;
,
,
=.
В теории фильтров известны табулированные значения коэффициентов , , , соответствующие заданной неравномерности АЧХ цепи описываемой функцией вида (6.17) [13], которые приведены в таблице 7.2.
Таблица 7.2 - Коэффициенты передаточной функции фильтра Чебышева
Неравномерность АЧХ, дБ
|
|
|
|
|
0,1
|
1,605
|
1,184
|
0,611
|
|
0,2
|
1,805
|
1,415
|
0,868
|
|
0,3
|
1,940
|
1,56
|
1,069
|
|
0,4
|
2,05
|
1,67
|
1,24
|
|
0,5
|
2,14
|
1,75
|
1,40
|
|
0,6
|
2,23
|
1,82
|
1,54
|
|
0,7
|
2,31
|
1,88
|
1,67
|
|
0,8
|
2,38
|
1,93
|
1,80
|
|
0,9
|
2,45
|
1,97
|
1,92
|
|
1,0
|
2,52
|
2,012
|
2,035
|
|
1,2
|
2,65
|
2,08
|
2,26
|
|
1,4
|
2,77
|
2,13
|
2,46
|
|
1,6
|
2,89
|
2,18
|
2,67
|
|
1,8
|
3,01
|
2,22
|
2,87
|
|
2,0
|
3,13
|
2,26
|
3,06
|
|
|
Для выравнивания АЧХ в области частот ниже используется резистор , рассчитываемый по формуле [11]:
. (6.20)
При работе каскада в качестве входного, в формуле (6.19) значение принимается равным нулю.
После расчета , , , истинные значения элементов находятся из соотношений:
(6.21)
Пример 7.2. Рассчитать каскада и значения элементов , , , межкаскадной КЦ (рис. 7.3), при использовании транзисторов КТ610А (= 3 нГн, = 5 Ом, = 4 пФ, = 86 Ом, = 1 ГГц) и условий = 50 Ом, = 0,9, = 260 МГц.
Решение. По таблице 7.2 для = 0,9, что соответствует неравномерности АЧХ 1 дБ, определим: = 2,52; = 2,012; = 2,035. Находя нормированные значения = 0,56, = 0,055, = 0,058 и подставляя в (6.19), получим: = 1,8; = 0,757; = 0,676. Рассчитывая и подставляя в (6.18) найдем: = 3,2, а из (6.20) определим: = 3,75 кОм. После денормирования элементов по (6.21) получим: = 12,8 пФ; = 5,4 пФ; = 35,6 нГн.
7.3. РАСЧЕТ КАСКАДА С ЗАДАННЫМ НАКЛОНОМ АЧХ
Проблема разработки широкополосных усилительных каскадов с заданным наклоном АЧХ связана с необходимостью компенсации наклона АЧХ источников усиливаемых сигналов; устранения частотно-зависимых потерь в кабельных системах связи; выравнивания АЧХ малошумящих усилителей, входные каскады которых реализуются без применения цепей высокочастотной коррекции. На рис. 7.5,а приведена принципиальная схема усилителя с реактивной межкаскадной КЦ четвертого порядка, позволяющей реализовать заданный наклон АЧХ усилительного каскада, эквивалентная схема по переменному току приведена на рис. 7.5,б [14].
а) б)
Рис. 7.5
Используя однонаправленную эквивалентную схему замещения транзистора, схему (рис. 7.5) можно представить в виде, приведенном на рис. 7.6.
Рис. 7.6
Вводя идеальный трансформатор после конденсатора , с последующим применением преобразования Нортона [3], перейдем к схеме представленной на рис. 7.7.
Рис. 7.7
В соответствии с [2, 11], коэффициент передачи последовательного соединения межкаскадной КЦ и транзистора , при условии использования выходной КЦ, равен:
(7.9)
где ;
- нормированная частота
; (7.10)
;
;
;
;
;
- нормированные относительно и значения элементов .
Таблица 7.3 - Нормированные значения элементов КЦ для =0,25 дБ
Наклон
|
|
|
|
|
|
|
|
+4 дБ
3.3
2
3.121
5.736
3.981
3.564
|
0.027
0.0267
0.0257
0.024
0.02
0.013
0.008
0,0
|
1.058
1.09
1.135
1.178
1.246
1.33
1.379
1.448
|
2.117
2.179
2.269
2.356
2.491
2.66
2.758
2.895
|
3.525
3.485
3.435
3.395
3.347
3.306
3.29
3.277
|
6.836
6.283
5.597
5.069
4.419
3.814
3.533
3.205
|
0.144
0.156
0.174
0.191
0.217
0.248
0.264
0.287
|
|
+2 дБ
3.2
2
3.576
6.385
4.643
3.898
|
0.0361
0.0357
0.0345
0.0325
0.029
0.024
0.015
0.0
|
1.59
1.638
1.696
1.753
1.824
1.902
2.014
2.166
|
3.18
3.276
3.391
3.506
3.648
3.804
4.029
4.332
|
3.301
3.278
3.254
3.237
3.222
3.213
3.212
3.227
|
5.598
5.107
4.607
4.204
3.797
3.437
3.031
2.622
|
0.172
0.187
0.207
0.225
0.247
0.269
0.3
0.337
|
|
+0 дБ
3.15
2
4.02
7.07
5.34
4.182
|
0.0493
0.049
0.047
0.045
0.04
0.03
0.017
0.0
|
2.425
2.482
2.595
2.661
2.781
2.958
3.141
3.346
|
4.851
4.964
5.19
5.322
5.563
5.916
6.282
6.692
|
3.137
3.13
3.122
3.121
3.125
3.143
3.175
3.221
|
4.597
4.287
3.753
3.504
3.134
2.726
2.412
2.144
|
0.205
0.219
0.247
0.263
0.29
0.327
0.36
0.393
|
|
-3 дБ
3.2
2
4.685
8.341
6.653
4.749
|
0.0777
0.077
0.075
0.07
0.06
0.043
0.02
0.0
|
4.668
4.816
4.976
5.208
5.526
5.937
6.402
6.769
|
9.336
9.633
9.951
10.417
11.052
11.874
12.804
13.538
|
3.062
3.068
3.079
3.102
3.143
3.21
3.299
3.377
|
3.581
3.276
2.998
2.68
2.355
2.051
1.803
1.653
|
0.263
0.285
0.309
0.34
0.379
0.421
0.462
0.488
|
|
-6 дБ
3.3
2
5.296
9.712
8.365
5.282
|
0.132
0.131
0.127
0.12
0.1
0.08
0.04
0.0
|
16.479
17.123
17.887
18.704
20.334
21.642
23.943
26.093
|
32.959
34.247
35.774
37.408
40.668
43.284
47.885
52.187
|
2.832
2.857
2.896
2.944
3.049
3.143
3.321
3.499
|
2.771
2.541
2.294
2.088
1.789
1.617
1.398
1.253
|
0.357
0.385
0.42
0.453
0.508
0.544
0.592
0.625
|
|
|
Таблица 7.4 - Нормированные значения элементов КЦ для =0,5 дБ
Наклон
|
|
|
|
|
|
|
|
+6 дБ
5.4
2
2.725
5.941
3.731
4.3
|
0.012
0.0119
0.0115
0.011
0.0095
0.0077
0.005
0.0
|
0.42
0.436
0.461
0.48
0.516
0.546
0.581
0.632
|
0.839
0.871
0.923
0.959
1.031
1.092
1.163
1.265
|
6.449
6.278
6.033
5.879
5.618
5.432
5.249
5.033
|
12.509
11.607
10.365
9.624
8.422
7.602
6.814
5.911
|
0.09
0.097
0.109
0.117
0.134
0.147
0.164
0.187
|
|
+3 дБ
4.9
2
3.404
7.013
4.805
5.077
|
0.0192
0.019
0.0185
0.017
0.015
0.012
0.007
0.0
|
0.701
0.729
0.759
0.807
0.849
0.896
0.959
1.029
|
1.403
1.458
1.518
1.613
1.697
1.793
1.917
2.058
|
5.576
5.455
5.336
5.173
5.052
4.937
4.816
4.711
|
8.98
8.25
7.551
6.652
6.021
5.433
4.817
4.268
|
0.123
0.134
0.146
0.165
0.182
0.2
0.224
0.249
|
|
0 дБ
4.9
2
4.082
8.311
6.071
6.0
|
0.0291
0.0288
0.028
0.0265
0.024
0.019
0.01
0.0
|
1.012
1.053
1.096
1.145
1.203
1.288
1.404
1.509
|
2.024
2.106
2.192
2.29
2.406
2.576
2.808
3.018
|
5.405
5.306
5.217
5.129
5.042
4.94
4.843
4.787
|
6.881
6.296
5.79
5.303
4.828
4.271
3.697
3.301
|
0.16
0.175
0.19
0.207
0.226
0.253
0.287
0.316
|
|
-3 дБ
5.2
2
4.745
9.856
7.632
7.13
|
0.0433
0.043
0.0415
0.039
0.035
0.027
0.015
0.0
|
1.266
1.318
1.4
1.477
1.565
1.698
1.854
2.019
|
2.532
2.636
2.799
2.953
3.13
3.395
3.708
4.038
|
5.618
5.531
5.417
5.331
5.253
5.172
5.117
5.095
|
5.662
5.234
4.681
4.263
3.874
3.414
3.003
2.673
|
0.201
0.217
0.241
0.263
0.287
0.321
0.357
0.391
|
|
-6 дБ
5.7
2
5.345
11.71
9.702
8.809
|
0.0603
0.06
0.058
0.054
0.048
0.04
0.02
0.0
|
1.285
1.342
1.449
1.564
1.686
1.814
2.068
2.283
|
2.569
2.684
2.899
3.129
3.371
3.627
4.136
4.567
|
6.291
6.188
6.031
5.906
5.812
5.744
5.683
5.686
|
5.036
4.701
4.188
3.759
3.399
3.093
2.634
2.35
|
0.247
0.264
0.295
0.325
0.355
0.385
0.436
0.474
|
|
|
В таблицах 7.3 и 7.4 приведены значения элементов , вычисленные для случая реализации усилительного каскада с различным наклоном АЧХ, лежащим в пределах + 6 дБ, при допустимом уклонении АЧХ от требуемой формы равном 0,25 дБ и 0,5 дБ, и для различных значений .
Таблицы получены с помощью методики проектирования согласующе-выравнивающих цепей транзисторных усилителей, предполагающей составление и решение систем компонентных уравнений [5], и методики синтеза прототипа передаточной характеристики, обеспечивающего максимальный коэффициент усиления каскада при заданной допустимой неравномерности АЧХ в заданной полосе частот [13].
Для перехода от схемы на рис. 7.7 к схеме на рис. 7.6 следует воспользоваться формулами пересчета:
(7.11)
где ;
, - нормированные относительно и значения элементов и .
Табличные значения элементов , в этом случае, выбираются для значения равного:
(7.12)
где - коэффициент, значение которого приведено в таблицах.
Пример 7.3. Рассчитать каскада и значения элементов , , , , межкаскадной КЦ (рис. 7.5), если в качестве и используются транзисторы КТ610А (= 3 нГн, = 5 Ом, = 4 пФ, = 86 Ом, = 1 ГГц), требуемый подъем АЧХ каскада на транзисторе равен 3 дБ, = 50 Ом, = 0,9, = 260 МГц.
Решение. Нормированные значения элементов , и равны: = = 0,56; = / = 0,058; = / = 0,057. Значение = 0,9 соответствует неравномерности АЧХ 1 дБ. По таблице 7.4 найдем, что для подъема АЧХ равного 3 дБ коэффициент = 4,9. По (7.12) определим: = 0,05. Ближайшее табличное значение равно 0,07. Для этого значения из таблицы имеем: = 0,959; = 1,917; = 4,816; = 4,817; = 0,224. Теперь по (7.11) и (7.10) получим: = 1,13; = 0,959; = 1,917; = 4,256; = 3,282; = 0,229; = 4,05. После денормирования элементов найдем: = = 82,5 Ом; = / = 100 нГн; = / = 30,3 пФ; = 23,4 пФ; = 12 нГн.
8. РАСЧЕТ УСИЛИТЕЛей С ЧАСТОТНЫМ РАЗДЕЛЕНИЕМ КАНАЛОВ
При разработке усилителей с рабочими частотами от нуля либо единиц герц до единиц гигагерц возникает проблема совмещения схемных решений построения низкочастотных и сверхвысокочастотных усилителей. Например, использование больших значений разделительных конденсаторов и дросселей питания для уменьшения нижней граничной частоты, связано с появлением некорректируемых паразитных резонансов в области сверхвысоких частот. Этого недостатка можно избежать, используя частотно-разделительные цепи (ЧРЦ). Наибольший интерес представляет схема усилителя с ЧРЦ, предназначенного для усиления как периодических, так и импульсных сигналов [15,16,17]. Схема усилителя с ЧРЦ приведена на рис. 8.1, где УВЧ - усилитель верхних частот, УНЧ - усилитель нижних частот.
Рис. 8.1
Принцип работы схемы заключается в следующем. Усилитель с ЧРЦ состоит из двух канальных усилителей. Первый канальный усилитель УВЧ является высокочастотным и строится с использованием схемных решений построения усилителей сверхвысоких частот. Второй канальный усилитель УНЧ является низкочастотным и строится с использованием достоинств схемных решений построения усилителей постоянного тока либо усилителей низкой частоты. При условии согласованных входов и выходов канальных усилителей, выборе значения резистора равным , а много больше значения , усилитель с ЧРЦ оказывается согласованным по входу и выходу. Каждый из канальных усилителей усиливает соответствующую часть спектра входного сигнала. Выходная ЧРЦ осуществляет суммирование усиленных спектров в нагрузке.
Если обозначить нижнюю и верхнюю граничные частоты УВЧ как и , а нижнюю и верхнюю граничные частоты УНЧ как и , то дополнительным необходимым условием построения усилителя с ЧРЦ является требование:
10. (8.1)
В этом случае полоса пропускания разрабатываемого усилителя с ЧРЦ будет охватывать область частот от до .
С учетом вышесказанного расчет значений элементов ЧРЦ усилителя сводится к следующему.
Значения резисторов и выбираются из условий:
(8.2)
По заданному коэффициенту усиления УВЧ определяется необходимый коэффициент усиления УНЧ из соотношения:
, (8.3)
где - входное сопротивление УНЧ.
Значения элементов ЧРЦ рассчитываются по формулам [15]:
(8.4)
Пример 8.1. Рассчитать значения элементов , , , , , , коэффициент усиления УНЧ и его для усилителя с ЧРЦ, схема которого приведена на рис. 8.1, при условиях: = 10; = 1 МГц; = ; = = 50 Ом.
Решение. В соответствии с формулами (8.1) и (8.2) выбираем: = 10 МГц, =50 Ом, =500 Ом. Теперь по (8.3) найдем: =110, а по (8.4) определим: = 3,2 нФ; = 8 мкГн; = 320 пФ; =800 нГн.
Список использованных источников
Мамонкин И.Г. Усилительные устройства. Учебное пособие для вузов. - М.: Связь. 1977.
Шварц Н.З. Линейные транзисторные усилители СВЧ. - М.: Сов. радио, 1980.
Широкополосные радиопередающие устройства / Алексеев О.В., Головков А.А., Полевой В.В., Соловьев А.А.; Под ред. О.В. Алексеева. - М.: Связь, 1978.
Титов А.А., Бабак Л.И., Черкашин М.В. Расчет межкаскадной согласующей цепи транзисторного полосового усилителя мощности // Электронная техника. Сер. СВЧ-техника. - 2000. - Вып. 1.
Бабак Л.И., Шевцов А.Н., Юсупов Р.Р. Пакет программ автоматизированного расчета транзисторных широкополосных и импульсных УВЧ - и СВЧ усилителей // Электронная техника. Сер. СВЧ - техника. - 1993. - Вып. 3.
Петухов В.М. Полевые и высокочастотные биполярные транзисторы средней и большой мощности и их зарубежные аналоги: Справочник. В 4 томах. - М.: КУбК-а, 1997.
Никифоров В.В., Терентьев С.Ю. Синтез цепей коррекции широкополосных усилителей мощности с применением методов нелинейного программирования // Сб. «Полупроводниковая электроника в технике связи». /Под ред. И.Ф. Николаевского. - М.: Радио и связь, 1986. - Вып. 26.
Титов А.А. Упрощенный расчет широкополосного усилителя. // Радиотехника. - 1979. - № 6.
Мелихов С.В., Колесов И.А. Влияние нагружающих обратных связей на уровень выходного сигнала усилительных каскадов // Сб. «Широкополосные усилители». - Томск: Изд-во Том. ун-та, 1975. - Вып. 4.
Бабак Л.И. Анализ широкополосного усилителя по схеме со сложением напряжений // Сб. «Наносекундные и субнаносекундные усилители» / Под ред. И.А. Суслова. - Томск: Изд-во Том. ун-та, 1976.
Бабак Л.И., Дергунов С.А. Расчет цепей коррекции сверхширокополосных транзисторных усилителей мощности СВЧ // Сб. «Радиотехнические методы и средства измерений» - Томск: Изд-во Том. ун-та, 1985.
Титов А.А. Расчет межкаскадной корректирующей цепи многооктавного транзисторного усилителя мощности. // Радиотехника. - 1987. - №1.
Титов А.А. Расчет диссипативной межкаскадной корректирующей цепи широкополосного усилителя мощности // Радиотехника. - 1989. - №2.
Альбац М.Е. Справочник по расчету фильтров и линий задержки. - М.: Госэнергоиздат, 1963.
Ильюшенко В.Н., Титов А.А. Многоканальные импульсные устройства с частотным разделением каналов. // Радиотехника. - 1991. - № 1.
Пикосекундная импульсная техника. /В.Н. Ильюшенко, Б.И. Авдоченко, В.Ю. Баранов и др. / Под ред. В.Н. Ильюшенко.- М.: Энергоатомиздат, 1993.
Авторское свидетельство № 1653128 СССР, МКИ НОЗF 1/42. Широкополосный усилитель / В.Н. Ильюшенко, А.А. Титов // Открытия, Изобретения. - 1991 - №20.
Страницы: 1, 2, 3
|