 |
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:
³10 
. (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
1. Мамонкин И.Г. Усилительные устройства. Учебное пособие для вузов. - М.: Связь. 1977.
2. Шварц Н.З. Линейные транзисторные усилители СВЧ. - М.: Сов. радио, 1980.
3. Широкополосные радиопередающие устройства / Алексеев О.В., Головков А.А., Полевой В.В., Соловьев А.А.; Под ред. О.В. Алексеева. - М.: Связь, 1978.
4. 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.
5. 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.
6. Петухов В.М. Полевые и высокочастотные биполярные транзисторы средней и большой мощности и их зарубежные аналоги: Справочник. В 4 томах. – М.: КУбК-а, 1997.
7. 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.
8. Титов А.А. Упрощенный расчет широкополосного усилителя. // Радиотехника. - 1979. - № 6.
9. 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.
10. 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.
11. 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.
|
|
|
12. Титов А.А. Расчет межкаскадной корректирующей цепи многооктавного транзисторного усилителя мощности. // Радиотехника. – 1987. - №1.
13. Титов А.А. Расчет диссипативной межкаскадной корректирующей цепи широкополосного усилителя мощности // Радиотехника. - 1989. - №2.
14. Альбац М.Е. Справочник по расчету фильтров и линий задержки. – М.: Госэнергоиздат, 1963.
15. Ильюшенко В.Н., Титов А.А. Многоканальные импульсные устройства с частотным разделением каналов. // Радиотехника. - 1991. - № 1.
16. Пикосекундная импульсная техника. /В.Н. Ильюшенко, Б.И. Авдоченко, В.Ю. Баранов и др. / Под ред. В.Н. Ильюшенко.- М.: Энергоатомиздат, 1993.
17. Авторское свидетельство № 1653128 СССР, МКИ НОЗF 1/42. Широкополосный усилитель / В.Н. Ильюшенко, А.А. Титов // Открытия, Изобретения. – 1991 - №20.
|
|
|
