Схемотехника сверхширокополосных и полосовых усилителей мощности

11

усилительных каскадов с КЦ не позволяют осуществлять реализацию максимально возможного для заданного схемного решения коэффициента усиления при одновременном обеспечении заданного допустимого уклонения АЧХ от требуемой формы [8, 14]. Задача нахождения значений элементов КЦ, обеспечивающих максимальный коэффициент усиления каскада, в каждом конкретном случае может быть решена с помощью программ оптимизации. Однако наличие хорошего начального приближения многократно сокращает этап последующей оптимизации или делает его излишним [14–16].

Значительные потери выходной мощности и КПД усилителя связаны, в ряде случаев, с необходимостью реализации высокой линейности его амплитудной характеристики (АХ), малой величины амплитудно-фазовой конверсии (АФК), то есть малой величины изменения фазы усиленного сигнала от изменения его амплитуды [2, 15]. Например, требование ограничения сжатия коэффициента усиления уровнем 0,5 дБ, при разработке СУМ, приводит к 25...35 % уменьшению выходной мощности относительно номинального значения [12]. Следует ожидать повышения линейности АХ, уменьшения АФК и интермодуляционных искажений в сверхширокополосных усилителях мощности при использовании автоматической регулировки режима, что связано с взаимной компенсацией двух нелинейных эффектов: сжатия коэффициента усиления с увеличением выходного сигнала; возрастания коэффициента усиления тока базы биполярного транзистора с увеличением его коллекторного тока, либо возрастания значения крутизны полевого транзистора с увеличением тока стока.

В соответствии с требованиями ГОСТ [17, 18], уровень любого побочного (внеполосного) радиоизлучения телевизионных (ТВ) передатчиков с выходной мощностью более 25 Вт должен быть не менее чем на минус 60 дБ ниже пиковой мощности радиосигнала в синхроимпульсе. Для реализации этого требования в ТВ передатчиках с выходной мощностью более 1 кВт используется раздельное усиление радиосигналов изображения и звукового сопровождения с последующим их сложением в антенне с использованием диплексеров [8]. В маломощных ТВ передатчиках (с выходной мощностью менее 1 кВт), составляющих около 85 % от общего парка ТВ передатчиков, используется совместное усиление радиосигналов изображения и звукового сопровождения, что обусловлено большими размерами известных в настоящее время диплексеров. Необходимость обеспечения требований ГОСТ по подавлению интермодуляционных составляющих в спектре ТВ сигнала передатчиков с совместным усилением радиосигналов изображения и звукового сопровождения приводит к тому, что транзисторы усилителей этих передатчиков используются по мощности на 20...25 %, а их КПД оказывается в 2...2,5 раза меньше достижимого значения [8]. В этом случае удается реализовать уровень интермодуляционных помех на выходе передатчиков минус 25...35 дБ [2]. Для уменьшения уровня внеполосного излучения до величины минус 60 дБ, на выходе ТВ передатчиков с совместным усилением радиосигналов изо-

12

бражения и звукового сопровождения устанавливаются полосовые фильтры, поглощающие 15...20 % выходной мощности передатчика. Потерь выходной мощности и КПД в маломощных ТВ передатчиках можно избежать благодаря созданию малогабаритных диплексеров, пригодных для разработки телевизионных ПУМ с выходной мощностью до 1 кВт по схеме с раздельным усилением радиосигналов изображения и звукового сопровождения.

Анализ линейности АХ и АФК усилителей мощности, работающих в различных режимах, в настоящее время ведется различными методами, что затрудняет машинное проектирование [9]. Это связано с тем, что используемые нелинейные модели транзисторов для анализа работы усилительных каскадов в режиме существенной нелинейности, не позволяют в рамках указанных моделей перейти к общепринятой малосигнальной эквивалентной схеме замещения транзистора при изменении режима работы от существенной к несущественной нелинейности и режиму малого сигнала [6]. В этой связи актуальной является задача разработки нелинейной модели передаточной характеристики мощного усилительного каскада, формируемой по общепринятой инерционной малосигнальной эквивалентной схеме замещения транзистора с нелинейными элементами, и позволяющей осуществлять анализ линейности АХ и АФК усилительного каскада при его работе как в режиме существенной, так и в режиме несущественной нелинейности.

Традиционно расширение полосы пропускания сверхширокополосных усилителей мощности ОВЧ - и УВЧ-диапазонов в область нижних частот осуществляется благодаря увеличению номиналов пассивных элементов схемы. Это приводит к возрастанию величины «паразитных» параметров этих элементов, появлению в связи с этим неконтролируемых резонансов внутри полосы пропускания разрабатываемых усилителей и искажению формы их АЧХ, фазочастотной (ФЧХ) и переходной (ПХ) характеристик [4]. Увеличение верхней граничной частоты усилителей постоянного тока (УПТ) основано на использовании более высокочастотных транзисторов. Однако, поскольку принципы построения УПТ и усилителей ОВЧ - и УВЧ-диапазонов принципиально различны, в рамках одноканальной структуры не удается реализовать усилитель, сочетающий в себе достоинства указанных классов усилителей.

В известной литературе не решена проблема создания СУМ с полосой рабочих частот от нуля либо от единиц герц до единиц гигагерц, предназначенных для усиления импульсных сигналов, на основе использования многоканальных структур с частотным разделением каналов, применяемых в сверхширокополосных усилителях гармонических сигналов [19].

Рассмотрению научно-технических основ построения линейных усилителей мощности ОВЧ - и УВЧ-диапазонов с повышенными выходной мощностью и КПД, предназначенных для усиления непрерывных и импульсных сигналов, посвящено настоящее учебное пособие. В нем последовательно изложены вопросы: использования автоматической регулировки режима по по-

13

стоянному току в сверхширокополосных усилителях мощности класса А; синтеза полиномиальных моделей передаточных характеристик мощных усилительных каскадов; параметрического синтеза мощных сверхширокополосных и полосовых усилительных каскадов с корректирующими цепями; параметрического синтеза трансформаторов сопротивлений выходных каскадов передатчиков систем радиовещания и радиосвязи; схемотехники многоканальных импульсных усилителей с частотным разделением каналов; схемотехники усилителей маломощных телевизионных передатчиков. В учебном пособии приведены многочисленные примеры практических схем усилителей, особенности их изготовления и настройки.

Учебное пособие отражает результаты научно-исследовательских работ, а также опыт группового проектного обучения, курсового и дипломного проектирования на кафедре радиоэлектроники и защиты информации Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники.

14

1. АВТОМАТИЧЕСКАЯ РЕГУЛИРОВКА РЕЖИМА В СВЕРХШИРОКОПОЛОСНЫХ УСИЛИТЕЛЯХ МОЩНОСТИ

В настоящем разделе обосновываются возможность и целесообразность использования автоматической регулировки режима в сверхширокополосных усилителях мощности ОВЧ - и УВЧ-диапазонов, осуществляется сравнение и выбор наиболее эффективной системы регулирования.

1.1. Методы реализации автоматической регулировки режима

Методы реализации автоматической регулировки режима основаны на использовании автоматической регулировки напряжения питания и автоматической регулировки потребляемого тока [5].

В усилителях с АРН управление напряжением регулируемого источника электропитания (РИЭП) осуществляется с помощью огибающей входного сигнала, либо выходного сигнала. Функциональная схема усилителя с АРН, управление напряжением регулируемого источника электропитания которого осуществляется огибающей входного сигнала, приведена на рис. 1.1.

Рис. 1.1. Схема усилителя с АРН, в котором управление напряжением регулируемого источника электропитания осуществляется огибающей входного сигнала

На рис. 1.2 приведена функциональная схема усилителя с АРН, управление напряжением регулируемого источника электропитания которого осуществляется огибающей выходного сигнала.

Как правило, такие усилители работают в режиме с отсечкой коллекторного тока. При использовании АРН в усилителях, работающих в режиме класса А, на их выходах необходимо устанавливать фильтры верхних частот (ФВЧ) для исключения возможности попадания сигнала с частотой управления в нагрузку. Закон изменения положения рабочей точки усилительного каскада с АРН, в этом случае, будет зависеть от применяемой схемы смещения и термостабилизации.

15

Рис. 1.2. Схема усилителя с АРН, в котором управление напряжением регулируемого источника электропитания осуществляется огибающей выходного сигнала

В дальнейшем, при анализе работы усилительного каскада с АРН, будем полагать, что закон изменения положения рабочей точки оптимален в смысле реализации максимального КПД каскада [6]. Как показали исследования различных схемных решений усилительных каскадов с АРН, указанный закон регулирования может быть осуществлен при использовании усилительного каскада с активной коллекторной термостабилизацией рабочей точки [20]. Пример такого каскада с АРН приведен на рис. 1.3.

Рис. 1.3. Схема использования активной коллекторной термостабилизации в усилительном каскаде с АРН

Достоинством указанного схемного решения является возможность его применения в качестве устройства регулировки усиления при расширении области изменения напряжения регулируемого источника электропитания [21]. Методика расчета элементов схемы активной коллекторной термостабилизации приведена в [20]. На рис. 1.4 представлены эпюры напряжений и токов усилительного каскада работающего в режиме класса А с АРН в координатах выходных вольт-амперных характеристик транзистора, поясняющие принцип работы системы регулирования при оптимальном законе изменения положения рабочей точки, где Uвых,Iвых – амплитуды выходного напряже-

ния и тока; Rн – нагрузочная прямая каскада по переменному току.

16

Рис. 1.4. Эпюры напряжений и токов транзистора усилительного каскада, работающего в режиме класса А с АРН

Как видно из рисунка, в этом случае при любом уровне выходного напряжения происходит полное использование транзистора по току и напряжению.

В усилителях с АРТ также используется управление положением рабочей точки с помощью огибающей входного сигнала либо выходного сигнала [5]. Функциональная схема усилителя с АРТ, управление положением рабочей точки в котором осуществляется с помощью огибающей входного сигнала, приведена на рис. 1.5. На рис. 1.6 приведена функциональная схема усилителя с АРТ, управление положением рабочей точки в котором осуществляется с помощью огибающей выходного сигнала.

Рис. 1.5. Схема усилителя с АРТ, в котором управление положением рабочей точки осуществляется с помощью огибающей входного сигнала

17

Рис. 1.6. Схема усилителя с АРТ, в котором управление положением рабочей точки осуществляется с помощью огибающей выходного сигнала

На рис. 1.5 и 1.6 также показаны ФВЧ, установленные на выходах усилителей для исключения возможности попадания сигнала с частотой управления в нагрузку [20]. Однако в отличие от усилительных каскадов с АРН, в усилителях с АРТ полное использование транзисторов по напряжению возможно лишь при максимальном уровне выходного сигнала. При уменьшении выходного напряжения коэффициент использования транзистора по напряжению уменьшается пропорционально уровню выходного сигнала. Это поясняют эпюры напряжений и токов усилительного каскада с АРТ, приведенные на рис. 1.7.

Рис. 1.7. Эпюры напряжений и токов транзистора усилительного каскада, работающего в режиме класса А с АРТ

Исходя из требований, предъявляемых к радиоэлектронной аппаратуре [1, 2], в качестве критериев оценки качественных показателей рассматриваемых усилителей выберем: КПД усилителя с АРР; быстродействие канала управления; сложность реализации системы АРР; массогабаритные показате-

18

ли. Под быстродействием канала управления будем понимать максимальное

го (ВЧ) сигнала, при которой управляемый системой регулирования параметр еще изменяется по закону этой огибающей.

1.2. Сравнение усилительных каскадов с автоматической регулировкой режима по КПД

Используемые в радиотехнических системах различного назначения УМ предназначены для усиления трех наиболее часто встречающихся типов сигналов:

-ВЧ сигналов с амплитудной модуляцией (АМ). Этот тип сигналов используется, например, в передающих устройствах, в аппаратуре для физических исследований, в генераторах стандартных сигналов;

-сигналов с постоянной амплитудой. Они используются в передающих устройствах с фазовой и частотной модуляцией, в аппаратуре для физических исследований, в системах линейной и нелинейной радиолокации. Поскольку требуемая амплитуда ВЧ сигнала в таких устройствах может быть выбрана произвольно, примем, что плотность вероятности амплитуд усиливаемых сигналов постоянна;

-сигналов многоканальных систем телефонной, телевизионной и радиосвязи. Распределение амплитуд группового сигнала, в этом случае, описывается законом Релея.

Произведем сравнение по КПД усилительных каскадов с АРН и АРТ в случае усиления ими указанных типов сигналов. При этом будем полагать

симальное значение амплитуды выходного тока отдаваемого транзистором, Iк0 – ток в рабочей точке транзистора, Uвыхmax – максимальное значение

амплитуды выходного напряжения отдаваемого транзистором, Uкэ0 – на-

пряжение в рабочей точке транзистора [6]. Кроме того, будем считать, что анализируется работа дроссельных каскадов, а сопротивление нагрузки Rн и

максимальные значения напряжения питания En max и потребляемого тока Inотр max выбраны из условия получения максимальной выходной мощности, то есть выполняется условие [6]:

Известно [22], что КПД регулируемых источников электропитания составляет величину порядка 70...90 %, а система АРТ [20] практически не потребляет энергии. Мощность, потребляемая системой АРТ, не превышает мощности, рассеиваемой базовым делителем усилительного каскада, после-

19

довательно с одним из резисторов которого устанавливается управляющий транзистор (см. рис. 1.8).

Рис. 1.8. Принципиальная схема усилительного каскада с АРТ

С учетом сказанного найдем, что при усилении сигналов с амплитудной модуляцией КПД каскадов с АРН АРН, с АРТ АРТ, и с ФРТ ФРТ равны:

АРН РИЭП2;

ФРТ (1 m22)2(1 m)2,

где m – глубина модуляции.

При усилении сигналов с постоянной плотностью вероятности их амплитуд КПД каскадов равны:

АРН РИЭП2;

ФРТ 6.

При усилении сигналов многоканальных систем радиосвязи КПД каскадов равны:

где σ2X – дисперсия величины X;

X – безразмерная амплитуда эквивалентного группового сигнала.

20

Примем, что сигналы во всех каналах многоканальной системы связи равны, а количество каналов равно пяти. В этом случае в соответствии с [23] σ2X =0,1 и АРТ = 4; ФРТ = 10.

Сравнивая полученные результаты расчетов нормированных значений КПД усилительных каскадов с АРН, АРТ и ФРТ при различных законах изменения амплитуды усиливаемых сигналов, можно сделать следующий вывод. КПД усилительных каскадов с АРН в среднем на 25...35 % больше КПД усилительных каскадов с АРТ, которые в свою очередь имеют вдвое больший КПД, чем усилительные каскады с ФРТ.

1.3. Сравнение усилительных каскадов с автоматической регулировкой режима по быстродействию канала управления

Быстродействие системы регулирования определяет максимальную частоту огибающей ВЧ сигнала, при которой реализуется режим максимального использования транзистора усилительного каскада по мощности. Для оценки потерь выходной мощности, обусловленных инерционностью системы регулирования по отношению к огибающей ВЧ сигнала, найдем соотношения для расчета En max и Inотр max при работе каскада в режиме с ФРТ, а

также для случаев использования инерционной и безынерционной систем регулирования.

При работе усилительного каскада с ФРТ, ток и напряжение в точке покоя могут быть найдены из соотношений [6]:

и для каскада с безынерционной системой АРР:

Из (1.5), (1.6) и (1.7) найдем, что максимальные значения выходной мощности каскада с ФРТ Pвых ФРТ, каскада с инерционной системой регули-