Схемотехника сверхширокополосных и полосовых усилителей мощности

где K1 – коэффициент, значения которого приведены в таблицах 3.3 и 3.4.

Таблицы 3.3 и 3.4 могут быть применены и для проектирования усилительных каскадов на полевых транзисторах (рис. 3.12).

Рис. 3.12. Межкаскадная четырехполюсная диссипативная КЦ четвертого порядка для усилительных каскадов на ПТ

В этом случае удобнее рассматривать коэффициент передачи с входа транзистора VT1 на вход транзистора VT2, который описывается соотношением, аналогичным (3.19).

При использовании таблиц 3.3 и 3.4 и переходе к реальным нормированным значениям элементов КЦ, следует пользоваться формулами пересчета:

R1норм R1/норм; L2норм L/2норм;

C3норм C3//нормСвх2нормК1(Свх2нормК1 C3//норм); C4норм C4//нормК1;

L5норм L//5нормК12;

К1 0,50,25 С4//нормCвх2норм; С3//норм C3/норм Свых1норм;

С4//норм C4/ норм C3/норм(K2 1) K22; L//5норм L/5нормK22;

K2 C3/норм(C3/норм Cвых1норм),

где Cвых1норм – нормированное относительно в и Rвых значение выходной емкости транзистора VT1;

62

Cвх2норм – нормированное относительно в и Rвых значение входной емкости транзистора VT2.

Пример. Осуществим проектирование однокаскадного транзисторного усилителя с использованием синтезированных таблиц 3.3 и 3.4 при условиях: используемый транзистор – КТ939А; Rг Rн= 50 Ом;

емкостная составляющая сопротивления генератора Cг = 2 пФ; верхняя частота полосы пропускания fв =1

ГГц; требуемый подъем АЧХ 4 дБ; допустимое уклонение АЧХ от требуемой формы =0,25 дБ. Принципиальная схема каскада приведена на рис. 3.13. На выходе каскада включена выходная согласующая цепь,

практически не вносящая искажений в АЧХ каскада [6], состоящая из элементов L4 =6,4 нГн, C7 =5,7 пФ

и обеспечивающая минимально возможное значение максимальной величины модуля коэффициента отражения ощущаемого сопротивления нагрузки внутреннего генератора транзистора. Для термостабилизации тока покоя транзистора КТ939А в схеме использована активная коллекторная термостабилизация на транзисторе КТ361А.

Решение. Используя справочные данные транзистора КТ939А [25] и соотношения для расчета значений элементов однонаправленной модели [6], получим: Lвх = 0,75 нГн; Rвх = 1,2 Ом; Gном12(1) =

63

Рис. 3.13. Принципиальная схема усилительного каскада с подъемом

АЧХ

На рис. 3.14 приведена АЧХ спроектированного однокаскадного усилителя, вычисленная с использованием полной эквивалентной схемы замещения транзистора КТ939А [25] (кривая 1). Здесь же представлены экспериментальная характеристика усилителя (кривая 2), и АЧХ усилителя, оптимизированного с помощью программы оптимизации реализованной в среде MATLAB [31] (кривая 3). Кривые 1 и 3 практически совпадают, что говорит о высокой точности предлагаемой методики параметрического синтеза СУМ с заданным наклоном АЧХ. Оптимальность полученного решения подтверждает и наличие чебышевского альтернанса АЧХ [33].

Рис. 3.14. Расчетные и экспериментальная АЧХ усилительного каскада

Результаты исследований этого раздела использованы при проектировании усилителя, описанного в разделе 8.6.

Контрольные вопросы

1.В чем заключается идея метода параметрического синтеза усилительных каскадов с корректирующими цепями?

2.Почему в усилителях мощности ОВЧ - и УВЧ-диапазонов не применяются корректирующие цепи более чем четвертого порядка?

3.Каково назначение элементов L3, C7 в усилительном каскаде, приведенном на рис. 3.8?

4.Для чего предназначен транзистор VT1 в усилительном каскаде, приведенном на рис. 3.13?

5.Где могут быть использованы каскады с подъемом амплитудно-частотной характеристики?

64

4. ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ МОЩНЫХ ПОЛОСОВЫХ УСИЛИТЕЛЬНЫХ КАСКАДОВ С КОРРЕКТИРУЮЩИМИ ЦЕПЯМИ

В настоящем разделе приводятся примеры использования предлагаемого метода параметрического синтеза мощных усилительных каскадов с корректирующими цепями для синтеза таблиц нормированных значений элементов наиболее эффективных схемных решений построения КЦ полосовых усилителей мощности.

Полосовые усилители мощности находят широкое применение в системах пейджинговой и сотовой связи, теле- и радиовещании. На рис. 4.1 – 4.3 приведены схемы КЦ, наиболее часто применяемые при построении полосовых усилителей мощности ОВЧ - и УВЧ-диапазонов [5–8].

Рис. 4.1. Четырехполюсная реактивная КЦ третьего порядка

Рис. 4.2. Четырехполюсная реактивная КЦ четвертого порядка, выполненная в виде полосового фильтра

Рис. 4.3. Четырехполюсная реактивная КЦ, выполненная в виде фильтра нижних частот

Осуществим синтез таблиц нормированных значений элементов приведенных схемных решений КЦ полосовых усилителей мощности используя метод параметрического синтеза, описанный в разделе 3.1.

4.1. Параметрический синтез каскадов с корректирующей цепью третьего порядка

65

Описание рассматриваемой схемы (рис. 4.1), ее применение в полосовых усилителях мощности ОВЧ - и УВЧ-диапазонов и методика настройки даны в [38].

В разделе 3.3 дано описание методики расчета анализируемой схемы при ее использовании в качестве КЦ сверхширокополосного усилителя. В случае ее использования в качестве КЦ полосового усилителя методика расчета остается неизменной, за исключением изменения условий расчета функ- ции-прототипа.

Значения коэффициентов функции-прототипа (3.15), соответствующие различным величинам относительной полосы пропускания (ОПП), определяемой отношением fв fв fн – верхняя и нижняя граничные часто-

ты полосового усилителя, для неравномерности АЧХ ± 0,25 дБ, приведены в

66

превышении которого реализация каскада с требуемой формой АЧХ становится невозможной. Это обусловлено уменьшением добротности рассматри-

ваемой цепи с увеличением Rвхн/ .

При условии fв fн >1,3 в каскаде с анализируемой КЦ коэффициент усиления в области частот ниже fн оказывается соизмеримым с его коэффи-

циентом усиления в полосе рабочих частот. Поэтому в таблице приведены результаты расчетов нормированных значений элементов КЦ ограниченные

C1норм,C2норм, L3норм и осуществляется их денормирование.

Рассматриваемая КЦ (рис. 4.1) может быть использована и в качестве входной корректирующей цепи усилителя. В этом случае при расчетах следует полагать Rвых Rг ,Свых Сг , где Rг ,Сг – активная и емкостная составляющие сопротивления генератора.

Пример. Осуществим проектирование однокаскадного усилителя на транзисторе КТ939А при условиях: Rг Rн 50 Ом; Cг = 2 пФ; центральная частота полосы пропускания равна 1 ГГц; относительная

полоса пропускания равна 1,1. Выбор в качестве примера проектирования однокаскадного варианта усилителя обусловлен возможностью простой экспериментальной проверки точности результатов расчета, чего невозможно достичь при реализации многокаскадного усилителя. Схема усилителя приведена на рис. 4.4. На выходе усилителя включена выходная корректирующая цепь, выполненная в виде фильтра нижних час-

тот, рассчитанная по методике Фано [6], состоящая из элементов L4 = 4 нГн, C5 = 4,7 пФ, позволяющая

минимизировать значение максимальной величины модуля коэффициента отражения ощущаемого сопротивления нагрузки внутреннего генератора транзистора, и практически не влияющая на форму АЧХ усилителя.

Решение. Используя справочные данные транзистора КТ939А [25] и соотношения для расчета зна-

68

4.2. Параметрический синтез каскадов с корректирующей цепью, выполненной в виде полосового фильтра

Описание рассматриваемой схемы (рис. 4.2), ее применение в полосовых усилителях мощности ОВЧ - и УВЧ-диапазонов и методика настройки даны в работах [21].

Аппроксимируя входной и выходной импедансы транзисторов VT1 и VT2 RC- и RL- цепями перейдем к схеме, приведенной на рис. 4.6.

Рис. 4.6. Эквивалентная схема включения КЦ

Вводя идеальный трансформатор после конденсатора C2 , и применяя преобразование Нортона [6], перейдем к схеме, представленной на рис. 4.7.

Рис. 4.7. Преобразованная эквивалентная схема включения КЦ

Коэффициент прямой передачи последовательного соединения преобразованной схемы КЦ и транзистора VT2, в соответствии с [32], может быть описан в символьном виде дробно-рациональной функцией комплексного переменного:

норм в – нормированная частота;

–текущая круговая частота;

в– центральная круговая частота полосового усилителя;

a1 2C2/ норм L1/ нормRвхнорм/ Gном12(1);

69

Gном12(1) – коэффициент усиления транзистора VT2 по мощности в