Схемотехника сверхширокополосных и полосовых усилителей мощности

92

Как видно из графиков, при идеальной АЧХ фазочастотная характеристика двухканального усилителя существенно нелинейна в области частоты стыковки каналов, а ПХ имеет глубокий провал. Это обусловлено тем, что ФЧХ на частотах f fст определяется входным и выходным ФНЧ, а на час-

тотах f fст ФЧХ определяется входным и выходным ФВЧ.

Исследования, проведенные авторами, показывают, что чем выше порядок фильтров, используемых в ЧРЦ, тем больше скачек фазы в области частоты стыковки. Указанные искажения ФЧХ и ПХ являются основной причиной, не позволяющей применять классические ЧРЦ для построения многоканальных усилителей импульсных сигналов с частотным разделением каналов.

6.2. Разработка частотно-разделительных цепей, пригодных для использования в усилителях импульсных сигналов

Машинные и экспериментальные исследования различных вариантов построения двухканальных усилителей, выполненных на основе схемы приведенной на рис. 6.1 с ЧРЦ от первого до четвертого порядков, показали следующее. Создание двухканальных усилителей с частотным разделением каналов, предназначенных для усиления импульсных сигналов, возможно при использовании ЧРЦ на фильтрах первого порядка и включенных либо только на входе, либо только на выходе. Структуры построения таких усилителей приведены на рис. 6.5 и 6.6, где – сумматор.

Рис. 6.5. Функциональная схема двухканального усилителя импульсных сигналов с сумматором на входе.

93

Рис. 6.6. Функциональная схема двухканального усилителя импульсных сигналов с сумматором на выходе.

АЧХ предложенных усилительных структур равномерна, ФЧХ линейна, а ПХ не имеет провалов. Действительно, при условии идеальности канальных усилителей, нормированную относительно Rн и fст передаточную

характеристику рассматриваемых усилителей можно описать в символьном виде дробно-рациональной функцией комплексного переменного:

– текущая круговая частота; a1 2C1норм;

a2 L1нормС1норм;

b1 1,5C1норм 0,5L1норм; b2 L1нормС1норм;

ние L1;

Rн – сопротивление нагрузки.

Учитывая, что должно выполняться равенство [19]:

получим условия, при которых отсутствуют искажения АЧХ и ПХ усилителя:

94

Недостатком усилительных структур, приведенных на рис. 6.5, 6.6, является необходимость использования сверхширокополосных сумматоров с развязанными входами. Этого можно избежать, если выполнить усилитель по структуре, приведенной на рис. 6.7, имеющей разные частоты стыковки входной ЧРЦ ( fст вх ) и выходной ЧРЦ ( fст вых).

Рис. 6.7. Функциональная схема двухканального усилителя импульсных сигналов с ЧРЦ на входе и выходе

Резистор R1 является нагрузкой ФНЧ входной ЧРЦ, выбирается из условия R1 = Rг и необходим для обеспечения согласования усилителя по входу в полосе частот ниже fст вх . Резистор R2 выполняет функцию развязы-

вающего сопротивления. Для обеспечения равенства коэффициентов передачи каналов коэффициенты усиления канальных усилителей выбираются исходя из неравенства: КУНЧ КУВЧ, где КУНЧ – коэффициент усиления УНЧ; КУВЧ – коэффициент усиления УВЧ. При этом КУНЧ превышает КУВЧ на величину потерь, вносимых резистором R2 .

При условии идеальности канальных усилителей и выборе входной и выходной ЧРЦ с различными частотами стыковки, нормированную передаточную характеристику схемы, приведенной на рис. 6.7, можно представить в виде:

где p j норм;

норм 2 fст вых – нормированная частота;

95

Используя (4.2), найдем соотношения для расчета АЧХ и ФЧХ рассматриваемой схемы:

Рис. 6.8. Расчетные АЧХ двухканального усилителя с ЧРЦ на входе и выходе

Рис. 6.9. Расчетные ФЧХ двухканального усилителя с ЧРЦ на входе и выходе

96

Рис. 6.10. Расчетные ПХ двухканального усилителя с ЧРЦ на входе и выходе

Как видно из графиков, искажения АЧХ, ФЧХ и ПХ несущественны уже при N = 3 и практически отсутствуют при N =9. При N =9 отрицательный выброс на ПХ составляет около 8 %. Таким образом, увеличение разноса частот стыковки входной и выходной ЧРЦ приводит к уменьшению искажений ПХ и делает пригодными такие усилители для усиления импульсных сигналов.

Из условий работы рассматриваемой схемы следует, что верхняя граничная частота УНЧ fвУНЧ должна быть больше или равна частоте стыков-

ки выходной ЧРЦ, а нижняя граничная частота УВЧ fнУВЧ должна быть

меньше или равна частоте стыковки входной ЧРЦ. То есть fвУНЧ и fнУВЧ связаны отношением: fвУНЧ fнУВЧ N.

В этом случае, при условии Rг Rн, нормированные относительно fст вых и Rг значения элементов входной и выходной ЧРЦ определяются из соотношений [41]:

Истинные значения элементов ЧРЦ рассчитываются по формулам:

98

fв УНЧ fн УВЧ 1 L1норм 2,4142.

Анализ рассматриваемого усилителя с выбором L1норм и L2норм из

(6.7) показывает, что неравномерность АЧХ, обусловленная использованием ЧРЦ, равна 1 дБ, выброс ПХ равен 2 %, провал ПХ равен 6 %.

Для уменьшения искажений ПХ предложено модифицировать рассматриваемую схему [42], введя цепь положительной обратной связи, работаю-

где Кu – коэффициент передачи двухканального устройства. В этом случае при N=10 отрицательный выброс ПХ составляет 2,5 %.

Рис. 6.11. Функциональная схема двухканального усилителя импульсных сигналов с ЧРЦ на входе и выходе и цепью положительной обратной связи

В соответствии с (6.2) полное отсутствие искажений АЧХ и ПХ возможно при N стремящемся к бесконечности.

Для устранения указанного недостатка рассмотрим форму АЧХ и ФЧХ двухканального усилителя импульсных сигналов (рис. 6.7) при N=1 и условии идеальности канальных усилителей. Результаты расчета для частоты стыковки равной 2 МГц приведены на рис. 6.12 и 6.13.

Известно, что ПХ устройства не будет иметь искажений, если его АЧХ равномерна, а ФЧХ линейна. На рис. 6.14 и 6.15 приведены расчетные АЧХ и ФЧХ стандартного 50-омного тракта, параллельно которому включен полос- но-пропускающий фильтр, нагруженный на резистор и состоящий из параллельного соединения катушки индуктивности и конденсатора.

100

Как видно из графиков, приведенных на рис. 6.12 – 6.15, АЧХ и ФЧХ двухканального усилителя импульсных сигналов и 50-омного тракта с подключенным к нему полосно-пропускающим фильтром зеркальны относительно оси частот. Поэтому их совместное использование позволит осуществить взаимную компенсацию амплитудно-частотных и фазочастотных искажений. В результате приходим к схеме двухканального усилителя импульсных сигналов, предложенного в [44]. Структура усилителя приведена на рис.

6.16.

Рис. 6.16. Функциональная схема двухканального усилителя импульсных сигналов с ЧРЦ на входе и выходе