Схемотехника сверхширокополосных и полосовых усилителей мощности

71

Таблица 4.2. Нормированные значения элементов КЦ

72

Продолжение таблицы 4.2

74

Рис. 4.9. Расчетные и экспериментальная АЧХ мощного полосового усилительного каскада

Рассчитанные значения элементов КЦ были использованы в качестве начального приближения в программе оптимизации, реализованной в среде MATLAB. Значения элементов оптимизированной схемы

равны: L1=31,2 нГн; C2 =82,3 пФ; C3=1201 пФ; L4 =1,14 нГн. Оптимизированная АЧХ (кривая 3) прак-

тически совпадает с кривой 1. Оптимальность полученного решения подтверждает и наличие чебышевского альтернанса АЧХ.

Результаты исследований этого раздела использованы при проектировании усилителей, описанных в разделах 8.1, 8.4, 8.7, 8.12.

4.3. Параметрический синтез каскадов с корректирующей цепью, выполненной в виде фильтра нижних частот

Описание схемы приведенной на рис. 4.3, ее применение в полосовых усилителях мощности ОВЧ - и УВЧ-диапазонов, а также методика настройки даны в [2, 15]. Известные методы расчета указанной КЦ [15] не учитывают частотную зависимость коэффициента усиления транзистора в пределах рабочего диапазона, что является причиной значительных искажений формы АЧХ разрабатываемых усилителей.

Аппроксимируя входной и выходной импедансы транзисторов VT1 и VT2 RC- и RL- цепями, перейдем к схеме, приведенной на рис. 4.10.

Рис. 4.10. Эквивалентная схема включения КЦ

75

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

где p j Щ ;

норм норм в – нормированная частота;

–текущая круговая частота;

в– центральная круговая частота полосового усилителя;

Rвх, Lвх,Свых,С1, L2,С3, L4;

Rвых,Свых – активная и емкостная составляющие выходного сопро-

тивления транзистора VT1;

Rвх, Lвх – активная и индуктивная составляющие входного сопротив-

ления транзистора VT2.

Из (4.9) следует, что коэффициент усиления каскада на частоте =1 равен:

76

В качестве прототипа передаточной характеристики (4.9) выберем функцию:

щие различным полосам пропускания полосового усилительного каскада. Значения коэффициентов функции-прототипа для различных полос пропускания и неравномерности АЧХ 0,25 дБ приведены в таблице 4.3, где ОПП – относительная полоса пропускания, определяемая отношением fв fн ; fв, fн

– верхняя и нижняя граничные частоты полосового усилителя.

Здесь же представлены результаты вычислений нормированных значений элементов С1/норм, L2норм,С3норм, L/4норм, полученные из решения системы неравенств (4.10) и соответствующие различным значениям Rвхнорм.

Анализ полученных результатов позволил установить следующее. Для заданной ОПП существует определенное значение Rвхнорм, при превышении

которого реализация каскада с требуемой формой АЧХ становится невозможной. При допустимой неравномерности АЧХ, равной 0,25 дБ, ее аппроксимация функцией (4.13) возможна при условии fв fн 2 . При допустимой

неравномерности АЧХ более 0,25 дБ, область аппроксимации увеличивается незначительно.

Поэтому создание усилителя с полосой пропускания более одной октавы с использованием КЦ изображенной на рис. 4.3 невозможно. Рассматриваемая КЦ может быть использована и в качестве входной КЦ усилителя. В этом случае при расчетах следует полагать Rвых Rг ,Свых Сг .

77

Таблица 4.3. Нормированные значения элементов КЦ

78

Пример. Осуществим проектирование однокаскадного транзисторного усилителя, являющегося одним из четырех канальных усилителей выходного усилителя мощности 250 Вт передатчика пятого канала

телевидения, при условиях: Rг Rн 75 Ом, диапазон усиливаемых частот 92...100 МГц, используемый транзистор – КТ970А. Схема каскада приведена на рис. 4.11. Элементы L5 12,5 нГн, C6 213 пФ,

L7 60 нГн, С8 44 пФ формируют трансформатор импедансов, обеспечивающий оптимальное (в

смысле достижения максимального значения выходной мощности) сопротивление нагрузки транзистора и практически не влияющий на форму АЧХ усилительного каскада.

Решение. Используя справочные данные транзистора КТ970А [25] и соотношения для расчета зна-

найдем коэффициент усиления рассчитываемого каскада: S21(1)=5,683.

79

Рис. 4.11. Принципиальная схема мощного усилительного каскада

На рис. 4.12 приведена АЧХ спроектированного однокаскадного усилителя, вычисленная с использованием полной эквивалентной схемы замещения транзистора [25] (кривая 1). Здесь же представлена экспериментальная характеристика усилителя (кривая 2).

Рис. 4.12. Расчетные и экспериментальная АЧХ мощного полосового усилительного каскада

Контрольные вопросы

1.Каково назначение корректирующих цепей, применяемых в полосовых усилителях мощности?

2.Какие выводы можно сделать об эффективности корректирующих цепей, приведенных на рис. 4.2 и 4.3, в результате сравнения амплитудно-частотных характеристик, представленных на рис. 4.9 и

4.12?

3.Объясните назначение элементов L6, L7,C7,C8 в усилительном каскаде, принципиальная схема которого дана на рис. 4.11?

4.Для чего предназначены транзисторы VT1 и VT3 в усилительном каскаде, приведенном на рис.

4.8?

80

5. ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ ТРАНСФОРМАТОРОВ СОПРОТИВЛЕНИЙ ВЫХОДНЫХ КАСКАДОВ ПЕРЕДАТЧИКОВ

СИСТЕМ РАДИОВЕЩАНИЯ И РАДИОСВЯЗИ

В настоящем разделе предлагается использовать метод параметрического синтеза мощных усилительных каскадов с корректирующими цепями, описанный в разделе 3.1, для синтеза нормированных значений элементов трансформаторов сопротивлений, обеспечивающих минимизацию отклонения коэффициента трансформации от заданного значения в заданной полосе рабочих частот трансформатора.

Допустимые напряжения, прикладываемые к электродам современных мощных транзисторов применяемых в выходных каскадах передатчиков систем радиовещания и радиосвязи, составляют десятки вольт при допустимых токах в десятки ампер [25]. Поэтому в соответствии с [6, 8] оптимальное сопротивление нагрузки мощного транзистора Rнопт, на которое он отдает

максимальную мощность, составляет единицы Ом и может быть определено из соотношения:

где Еп – рекомендуемое напряжение источника питания;

Рвыхmax – максимальное значение выходной мощности, отдаваемой

транзистором;

Uост – остаточное напряжение;

Еп, Рвыхmax,Uост – справочные величины [25].

Для ряда транзисторов значение Uост в справочниках не приведены. В этом случае следует выбирать Uост = 0,1...2 В, что справедливо для большин-

ства мощных транзисторов [25].

Выходные каскады усилителей мощности передатчиков систем радиовещания и радиосвязи работают на входные сопротивления антеннофидерных трактов RА , имеющие, как правило, стандартное значение равное

50, либо 75 Ом [8].

Сцелью трансформирования сопротивления антенно-фидерного тракта

воптимальное сопротивление нагрузки мощного транзистора традиционно используются трансформаторы сопротивлений, выполненные в виде фильтров нижних частот (ФНЧ) (рис. 5.1) [8, 15]. Во многом это обусловлено наличием разработанной методики расчета таких трансформаторов, основанной на использовании таблиц нормированных значений элементов [40].