Расчет элементов высокочастотной коррекции усилительных каскадов на биполярных транзисторах
b>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. 7.3Используя 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. 7.5Используя 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. 7.7В 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 дБ3.323.1215.7363.981 3.564 | 0.0270.02670.02570.0240.020.0130.008 0,0 | 1.0581.091.1351.1781.2461.331.379 1.448 | 2.1172.1792.2692.3562.4912.662.758 2.895 | 3.5253.4853.4353.3953.3473.3063.29 3.277 | 6.8366.2835.5975.0694.4193.8143.533 3.205 | 0.1440.1560.1740.1910.2170.2480.264 0.287 | | +2 дБ3.223.5766.3854.643 3.898 | 0.03610.03570.03450.03250.0290.0240.015 0.0 | 1.591.6381.6961.7531.8241.9022.014 2.166 | 3.183.2763.3913.5063.6483.8044.029 4.332 | 3.3013.2783.2543.2373.2223.2133.212 3.227 | 5.5985.1074.6074.2043.7973.4373.031 2.622 | 0.1720.1870.2070.2250.2470.2690.3 0.337 | | +0 дБ3.1524.027.075.34 4.182 | 0.04930.0490.0470.0450.040.030.017 0.0 | 2.4252.4822.5952.6612.7812.9583.141 3.346 | 4.8514.9645.195.3225.5635.9166.282 6.692 | 3.1373.133.1223.1213.1253.1433.175 3.221 | 4.5974.2873.7533.5043.1342.7262.412 2.144 | 0.2050.2190.2470.2630.290.3270.36 0.393 | | -3 дБ3.224.6858.3416.653 4.749 | 0.07770.0770.0750.070.060.0430.02 0.0 | 4.6684.8164.9765.2085.5265.9376.402 6.769 | 9.3369.6339.95110.41711.05211.87412.804 13.538 | 3.0623.0683.0793.1023.1433.213.299 3.377 | 3.5813.2762.9982.682.3552.0511.803 1.653 | 0.2630.2850.3090.340.3790.4210.462 0.488 | | -6 дБ3.325.2969.7128.365 5.282 | 0.1320.1310.1270.120.10.080.04 0.0 | 16.47917.12317.88718.70420.33421.64223.943 26.093 | 32.95934.24735.77437.40840.66843.28447.885 52.187 | 2.8322.8572.8962.9443.0493.1433.321 3.499 | 2.7712.5412.2942.0881.7891.6171.398 1.253 | 0.3570.3850.420.4530.5080.5440.592 0.625 | | | Таблица 7.4 - Нормированные значения элементов КЦ для =0,5 дБ|
Наклон | | | | | | | | +6 дБ5.422.7255.9413.731 4.3 | 0.0120.01190.01150.0110.00950.00770.005 0.0 | 0.420.4360.4610.480.5160.5460.581 0.632 | 0.8390.8710.9230.9591.0311.0921.163 1.265 | 6.4496.2786.0335.8795.6185.4325.249 5.033 | 12.50911.60710.3659.6248.4227.6026.814 5.911 | 0.090.0970.1090.1170.1340.1470.164 0.187 | | +3 дБ4.923.4047.0134.805 5.077 | 0.01920.0190.01850.0170.0150.0120.007 0.0 | 0.7010.7290.7590.8070.8490.8960.959 1.029 | 1.4031.4581.5181.6131.6971.7931.917 2.058 | 5.5765.4555.3365.1735.0524.9374.816 4.711 | 8.988.257.5516.6526.0215.4334.817 4.268 | 0.1230.1340.1460.1650.1820.20.224 0.249 | | 0 дБ4.924.0828.3116.071 6.0 | 0.02910.02880.0280.02650.0240.0190.01 0.0 | 1.0121.0531.0961.1451.2031.2881.404 1.509 | 2.0242.1062.1922.292.4062.5762.808 3.018 | 5.4055.3065.2175.1295.0424.944.843 4.787 | 6.8816.2965.795.3034.8284.2713.697 3.301 | 0.160.1750.190.2070.2260.2530.287 0.316 | | -3 дБ5.224.7459.8567.632 7.13 | 0.04330.0430.04150.0390.0350.0270.015 0.0 | 1.2661.3181.41.4771.5651.6981.854 2.019 | 2.5322.6362.7992.9533.133.3953.708 4.038 | 5.6185.5315.4175.3315.2535.1725.117 5.095 | 5.6625.2344.6814.2633.8743.4143.003 2.673 | 0.2010.2170.2410.2630.2870.3210.357 0.391 | | -6 дБ5.725.34511.719.702 8.809 | 0.06030.060.0580.0540.0480.040.02 0.0 | 1.2851.3421.4491.5641.6861.8142.068 2.283 | 2.5692.6842.8993.1293.3713.6274.136 4.567 | 6.2916.1886.0315.9065.8125.7445.683 5.686 | 5.0364.7014.1883.7593.3993.0932.634 2.35 | 0.2470.2640.2950.3250.3550.3850.436 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
|
|