 |
Усилительные тракты со связью вперед
|
|
|
|
Эффективным средством уменьшения линейных и нелинейных искажений в широкополосных усилительных трактах вне зависимости от вызвавшей их причины (в том числе и амплитудно-фазовой конверсии) является применение связи вперед. Ее основное преимущество по сравнению с ООС, связано с тем, что связь вперед не снижает устойчивости усилительного тракта и, следовательно, ее реализация не ограничивается ни значением фазового сдвига в ТУМ, ни видом его амплитудно-частотной характеристики.
На рис. 5.5 приведена структурная схема широкополосного ТУМ со связью вперед, содержащая 2 кольца компенсации. В первом кольце усиливаемый сигнал через направленный ответвитель 
поступает одновременно на входы ТУМ (
) и компенсатора фазовой задержки 
, модуль коэффициента передачи которого не зависит от частоты, а фазо-частотная характеристика совпадает с требуемой аналогичной характеристикой ТУМ. Часть сигнала с выхода ТУМ через направленный ответвитель 
поступает на схему вычитания СВ, куда также подается сигнал с выхода . Если коэффициенты передачи 
и 
, со входа к выходу 2 
, 
и СВ со входов 1 
и 2 
связаны с коэффициентом усиления ТУМ 
соотношением =
, (5.13)
то на выходе СВ появится сигнал, содержащий только продукты искажений, возникших в ТУМ. Таким образом, (как и в схемах с балансной ООС) выступает в роли эталонного канала.
Далее во втором кольце этот сигнал искажений усиливается до требуемого уровня усилителем искажений УИ и в сумматоре 
вычитается из задержанного на нужное значение сигнала, поступающего с выхода ТУМ через . Необходимая компенсация задержки сигнала искажений, возникающая в УИ, осуществляется 
. Для полного подавления искажений, возникающих в ТУМ, необходимо, чтобы на любой частоте рабочего диапазона коэффициенты передачи отдельных блоков второго кольца компенсации удовлетворяли равенству
|
|
|
(5.14)
где 
= 
– коэффициент передачи канала основного сигнала; 
– коэффициент передачи канала искажений; 
– коэффициент передачи к выходу 1; 
– коэффициент передачи УИ; и 
– коэффициенты передачи сумматора со входов 1 и 2.
В общем случае для обеспечения отсутствия самовозбуждения в каждом кольце компенсации в схему введены направленные ответвители и , первый из которых не пропускает сигнал с выхода ТУМ на его вход, а второй – с выхода УИ на его вход. УИ представляет собой маломощный широкополосный усилитель, поскольку уровень сигнала искажений существенно меньше, чем полезного. Полосы пропускания ТУМ и УИ обычно одинаковы. и могут быть выполнены на основе ФНЧ или полосовых фильтров либо на основе фазовых звеньев.
Энергетические показатели УИ, существенно влияющие на КПД всего устройства при большом уровне искажений в ТУМ, во многом зависят от конкретного вида сумматора, некоторые варианты схем которого приведены на рис. 5.6 [11]. В схеме на рис. 5.6, а усилитель искажений выступает в роли генератора тока и должен обеспечить режим короткого замыкания для сигнала искажений, возникших в ТУМ.
 |
|
Схема на рис. 5.6, б дуальна предыдущей, и в ней создается режим холостого хода для сигнала искажений, а УИ должен быть генератором напряжения. Общей особенностью этих схем является то, что в них мощность, отдаваемая УИ, близка к нулю и, следовательно, вся мощность, потребляемая УИ от источника питания, рассеивается на выходных электродах генераторных приборов УИ. Кроме того, в схеме на рис. 5.6, а на выходе УИ присутствует полезный сигнал, созданный ТУМ, что требует существенного увеличения напряжения питания генераторных приборов УИ. В схеме на рис. 5.6, б через выходную цепь УИ протекает выходной ток ТУМ, что приводит к необходимости увеличения постоянной составляющей тока генераторных приборов УИ. Отмеченные явления даже при оптимальном выборе коэффициентов трансформации используемых трансформаторов существенно увеличивают мощность, потребляемую УИ от источника питания, и снижают результирующий КПД всего устройства.
|
|
|
От указанных недостатков свободна схема сумматора на рис. 5.6, в, поскольку в ней использован дифференциальный трансформатор, обеспечивающий в режиме согласования взаимную электрическую развязку между выходными цепями и УИ. Для ее обеспечения необходимо, чтобы в режиме согласования выходные сопротивления 
и УИ 
, сопротивления нагрузки 
и балласта 
были связаны следующими соотношениями: = 
; = 
; = 
; = = 
. При этом мощность полезного сигнала ТУМ будет распределяться между полезной и балластной нагрузками в отношении 
. Распределение мощности сигнала искажений, созданного УИ, будет прямо противоположным, т. е. 
, что требует определенного увеличения мощности УИ. Сигнал искажений на выходе УИ должен иметь в 
раз большую амплитуду, чем на выходе . Однако необходимо учесть, что УИ работает на нагрузку , а ТУМ – на нагрузку . Поскольку потери мощности полезного выходного сигнала ТУМ должны быть невелики, следует выбирать 
> 10…15, что создает определенные сложности в реализации дифференциального трансформатора и УИ.
Увеличить в два раза выходную мощность и уменьшить уровень искажений при сохранении значения КПД, присущего ТУМ, позволяет модернизированная схема реализации связи вперед [15]. Ее структурная схема совпадает с рассмотренной ранее на рис. 5.5, а отличие заключается в выборе коэффициентов передачи направленных ответвителей и 
и в том, что в качестве УИ во втором кольце компенсации используется такой же ТУМ (
), как и в первом кольце (), а сумматором является равноплечий дифференциальный трансформатор. При этом возможны два варианта выбора значений и .
В первом варианте коэффициенты передачи выбираются таким образом, чтобы напряжение на выходе схемы вычитания содержало не только сигнал искажений, но и полезный сигнал, равный напряжению на входе . При этом на выходе усилителя второго кольца компенсации будет создан практически такой же полезный сигнал, как и на выходе . Что же касается сигнала искажений, присутствующего на входе , то его наличие приведет к компенсации собственных искажений этого усилителя. Следовательно, на одном из входов сумматора будет присутствовать только полезный сигнал, а на другом – полезный сигнал и сигнал искажений. Поскольку полезные сигналы, созданные ТУМ каждого из колец компенсации и поступающие на входы сумматора, одинаковы и синфазны, их мощности просуммируются в полезной нагрузке. Мощность сигнала искажений, возникших в , поделится поровну между полезной и балластной нагрузками. Таким образом уровень искажений в выходном сигнале всего устройства уменьшится на 6 дБ.
|
|
|
Во втором варианте коэффициенты передачи выбираются таким образом, чтобы напряжение на выходе схемы вычитания содержало полезный сигнал и удвоенный сигнал искажений. В этом случае на выходе помимо полезного сигнала появится и сигнал искажений. При этом полезные сигналы, созданные ТУМ каждого кольца компенсации и поступающие на входы сумматора, как и в первом варианте, будут одинаковы и синфазны, а сигналы искажений – одинаковы и противофазны. Следовательно, суммарная мощность сигнала искажений, возникших в каждом из ТУМ, поступит в балластную нагрузку.
Описанные свойства модернизированной схемы усилителя со связью вперед справедливы в том случае, когда и полностью идентичны, а наличие сигнала искажений на входе не изменяет его коэффициента передачи, т. е. в нем не возникают искажения второго порядка малости (искажения искажений). Результаты проведенного моделирования, описанные в [15], показали, что если при усилении сигналов с различными видами амплитудной модуляции уровень собственных нелинейных искажений ТУМ составляет 
дБ, то применение связи вперед в первом варианте реализации позволило их уменьшить на 5…7 дБ, а во втором – на 10…15 дБ. При этом преимущества второго варианта будут тем существеннее, чем меньшими искажениями обладают используемые ТУМ.
|
|
|
Необходимо отметить, что рассмотренному методу повышения линейности усилительных трактов помимо усложнения всего устройства присущи и другие недостатки. Первый из них обусловлен необходимостью увеличения мощности источника сигнала возбуждения , что приводит к снижению результирующего коэффициента усиления по мощности всего устройства 
, где 
, 
и 
– мощности выходного сигнала всего устройства и сигналов возбуждения и соответственно.
Второй недостаток вызван уменьшением выходной мощности , поступающей в общую нагрузку, поскольку часть выходного сигнала используется для формирования сигнала ошибки в напряжении возбуждения .
Рассмотрим каждый недостаток более подробно. При этом будем считать, что и являются самостоятельными устройствами с входным и выходным сопротивлениями, равными стандартному волновому сопротивлению соединительных кабелей 
, например 50 или 75 Ом. Естественно, что в режиме согласования таким же должно быть и сопротивление нагрузки каждого из ТУМ, т. е. = . В качестве и СВ в простейшем случае может быть использовано пассивное устройство, схема которого приведена на рис. 5.7. Сразу же отметим, что в рассматриваемой схеме заменен делителем напряжения. Однако такая замена не может привести к возникновению самовозбуждения во втором кольце компенсации, поскольку в сумматоре обеспечивается взаимная электрическая развязка между его входами.
Здесь, как и ранее, заменен генератором напряжения с соответствующими величинами выходного сопротивления и ЭДС холостого хода. Входное сопротивление и сопротивление нагрузки в режиме согласования равны 
, а 
= 
. Сигнал возбуждения подается на вход через трансформатор с коэффициентом трансформации 
.
Если при построении и СВ должен быть реализован первый вариант построения усилительного тракта, то сопротивление резистора 
и напряжение на выходе источника возбуждения 
находятся по формулам
= 
; = 
,
где 
– коэффициент усиления по напряжению каждого из ТУМ.
Реализация схемы возможна, если коэффициенты 
и удовлетворяют неравенству 
. Мощность источника возбуждения с выходным напряжением 
может быть найдена из соотношения
= 
= 
.
Минимальное значение = 2 
может быть получено при условии 
. Снижение коэффициента усиления по мощности всего устройства при использовании первого варианта связи вперед по сравнению с его значением при простом сложении мощностей двух ТУМ определяется соотношением
.
Минимально возможное снижение коэффициента усиления по мощности всего устройства составляет 1.5 и резко возрастает с ростом и уменьшением 
.
|
|
|
При использовании второго варианта необходимые значения и находятся по формулам
= 
; = 
,
а реализация схемы возможна, если коэффициенты 
и 
удовлетворяют условию 
. Мощность источника возбуждения определяется выражением
= 
= 
и при 
имеет минимально возможное значение, равное 3 
.
Что же касается части мощности , ответвляемой в цепь возбуждения , то в обоих вариантах построения она практически не зависит от 
и равна 
, где 
– мощность выходного сигнала каждого из ТУМ при работе на согласованную нагрузку.
|
|
|
