книги из ГПНТБ / Лурье Б.Я. Максимизация глубины обратной связи в усилителях

П р и л о ж е н и е 1

УСИЛИТЕЛЬ С НЕЛИНЕЙНЫМ КОРРЕКТОРОМ В ЦЕПИ МЕСТНОЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ

Принципиальная схема одного из вариантов линейного усилителя (ЛУс), предназначенного для системы связи по тонкому коаксиальному кабелю в диа­ пазоне частот 0,3-і-6,5 МГц, показана на рис. П .1.1) ЛУс выполнен по обычной

трехкаскадной схеме с транзисторами, включенными по схеме с общим эмит­ тером, с комбинированной обратной связью на входе и выходе.

Изолированная обмотка входного трансформатора Трг совместно с бифилярно намотанным трансформатором Тр\ устраняют паразитную обратную связь по оболочкам подключаемых ко входу и выходу усилителя коаксиаль­ ных кабелей. Небольшая бифилярно намотанная катушка индуктивности на вы­ ходе совместно с шунтирующими ее элементами устраняет возникающий из-за межобмоточной емкости паразитный резонанс.

Частотная характеристика усиления ЛУс корректируется частично входным

— 160 —

тельно в цепь обратной связи. Последний служит одновременно развязкой для двух переменных симметричных корректоров Боде, один из которых использу­ ется в системе автоматической регулировки усиления, а другой позволяет из­ менять усиление ЛУс применительно к разным длинам участков кабеля.

Уровень максимального неискаженного сигнала на выходе +20 дБ, усиле­ ние на верхней частоте рабочего диапазона при среднем положении регулято­ ров равно 41 дБ, пределы, регулирования каждого регулятора составляют ± 3 дБ, напряжение питания 12 В, ток питания 100 мА, из которых первый каскад по­ требляет 3,6 мА, а второй— 10 мА.

В первом и втором каскадах использованы транзисторы с граничной часто­ той усиления по току / т= 0,8 ГГц и емкостью коллектор — база 2,5 пФ, а в оконечном каскаде использован транзистор с частотой / т=0,35 ГГц и емкостью

менее чувствительную к разбросам емкостей транзисторов частотную характе­ ристику усиления но сравнению с обычной схемой параллельной коррекции.

Требования к линейности ЛУс более жесткие, чем требования к стабильно­ сти коэффициента усиления. Это позволяет уменьшить требуемую глубину об­ щей обратной связи за счет введения местной обратной связи в оконечном ка­ скаде (сопротивление Rs = 5 Ом в цепи эмиттера третьего транзистора).

Для того чтобы введение местной обратной связи не уменьшало допустимую глубину общей обратной связи, использованы рекомендации параграфа 5.5. Вопервых, уровень сигнала на входе оконечного каскада ограничен нелинейным корректором. Во-вторых, все затухание, которое должно быть введено в тракт контура общей обратной связи для формирования необходимой ЛАХ Т за ра­ бочим диапазоном, создает межкаскадная цепь на входе оконечного каскада.

Нелинейный корректор имеет схему, подобную рис. 4.13, но включен он не в меЖкаскадной цепи, а в цепи местной обратной связи согласно рекомендации параграфа 4.2 і(стр. 103). Попытка использовать нелинейный корректор в меж­ каскадной цепи к успеху не привела, так как в этом случае требовалось уве­ личить до 20 мА ток предоконечного каскада (что не допускалось соображе­ ниями по экономии тока питания магистрали связи). Нелинейный корректор в межкаскадной цепи использовался лишь на начальном этане экспериментальной проверки усилителя.

На рис. П1.1 изображен один из возможных вариантов нелинейного кор­ ректора. В нем использованы кремниевые точечные диоды с порогом ограни­ чения порядка 0,5 В. Это позволило обойтись без начального смещения. В дру­ гом варианте корректора использовался лишь один германиевый точечный диод, включенный так, как нижний диод схемы рис П.1. Такая полярность включения диода была выбрана в связи с тем что пропускаемая им полуволна сигнала не шунтируется в той мере, как другая полуволна, диодом база—эмиттер око­ нечного каскада. Для пропускания постоянной составляющей тока диода и установки начального смещения диода использовался делитель напряжения — резисторы, шунтирующие диод и конденсатор Сі.

Местная обратная связь в предоконечном каскаде параллельна относитель­ но его выхода. При запертых диодах в рабочем диапазоне частот глубина этой обратной связи мала мз-за сравнительно большой величины сопротивления

диодах глубина местной обратной связи была большой, сопротивление нагрузки каскада на частотах в пределах двух октав у верхнего края рабочего диапазона должно быть достаточно большим. Это условие ограничивает свободу выбора структурных схем межкаскадной цепи ’).)*

*) Задача в указанной постановке ' отличается от задачи, рассмотренной в гл. 4 тем, что частотная характеристика усиления каскада при запертых диодах не является характеристикой максимального плоского усиления.

— 161 —

Лучшая в этом смысле структура ■— двухполюсник, включенный в тракт по­ следовательно, т. е. между коллектором предоконечного и базой оконечного ка­ скадов. Этот двухполюсник для уменьшения асимптотических потерь должен быть

0,4 ГГц, т. е. в районе ступеньки Боде ЛАХ Т). Оценка площади сопротивле­ ния этого двухполюсника по интегральным соотношениям Боде (см. стр. 14, 15), показывает, однако, что нельзя получить величину этого сопротивления в ши­

за большого выходного сопротивления предоконечного каскада). Поэтому эта простейшая структура оказалась неприемлемой, и была выбрана структура, близкая к Т-образной. Левое плечо ее образует противорезоиансный контур LiR3RbC3, настроенный на частоту 20 МГц, правое плечо — противорезоианс­ ный контур LiReCfi, настроенный на частоту 100 МГц, а шунтирующее плечо

35 дБ на частоте 6,5 МГц и 55 дБ на частоте 0,3 МГц. Большая глубина об­ ратной связи на низких частотах, нежелание проектировщиков использовать

т. е. при запертых диодах, «2» — при замене диодов на сопротивление 100 Ом, имитирующем сопротивление отпертых большим сигналом диодов.

При отключенных диодах усилитель условно устойчив. Для возбуждения генерации достаточно коснуться пальцем межкаскадных цепей, убрать генера­ цию можно временным выключением источника питания.

Включение диодов устраняет генерацию, и изменением начальных условий вызвать генерацию не удается. По-видимому, усилитель устойчив в целом.

Величина скачков выходного сигнала при скачкообразном резонансе невели­ ка. В рабочем диапазоне частот Еп > 0,8, за рабочим диапазоном частот £„>0,6,

что указывает на достаточно большую величину запасов устойчивости. Включение диодов нелинейного корректора не влияет существенно на зату­

хание гармоник при рабочих уровнях сигнала.

— 162 —

П р и л о ж е н и е 2

УСЛОВИЯ УСТОЙЧИВОСТИ ПРИБОРОВ С ПАДАЮЩИМИ УЧАСТКАМИ ХАРАКТЕРИСТИК

Д в у х п о л ю с н и к с о т р и ц а т е л ь н ы м с о п р о т и в л е н и е м и а ' п о с т о я н н о м токе . Согласно теоремам Ляпунова условия устойчивости цепи' в малом определяются условиями устойчивости линеаризованной в малом цепи. Для задач практики анализ устойчивости соединении линейных или линеаризо­ ванных в малом двухполюсников удобно проводить по диаграммам Найквиста с помощью ряда теорем [21, 43, 49], вытекающих из теоремы Руше и принципа аргумента. Вместе с тем у нелинейных цепей имеется связь между формой их вольтамперных характеристик и формой частотных характеристик линеа­ ризованной в малом цепи, и это во многих случаях позволяет ущростить ис­ следование устойчивости.

Рассмотрим, например, двухполюсник с -вольтамперной. характеристикой по ' рис. П2Л. Будем считать, что линеаризованная в малом цепь достаточно хо­ рошо описывается системой конечного числа линейных дифференциальных урав­

нений, коэффициенты которых непрерывно зависят от расстояния по вольтам­ перной характеристике от начала координат до рабочей точки. Тогда в силу непрерывной зависимости решений системы линейных уравнений от параметра нули и полюсы сопротивления линеаризованного в малом двухполюсника z(p) могут появляться в правой р-полуплоскости только путем перемещения из левой полуплоскости по непрерывным траекториям — корневым годографам.

Функция z(p) в общем случае может иметь кратные нули и полюсы, а также нули, совпадающие с полюсами. Однако параметры реальных цепей являются случайными величинами, поэтому вероятность того, что в любом конкретном опыте траектории двух или нескольких нулей и полюсов одновременно (т. е. для одного и того же положения рабочей точки на вольтамперной характеристике) проходят через ісо-ось, равна 0. Исключим такую возможность из дальнейшего рассмотрения (это не касается, разумеется, пары комплексно-сопряженных ну­ лей или полюсов, траектории которых симметричны относительно оси <7= Rep).

пару комплексно-сопряженных нулей, или пару комплексно-сопряженных полю­ сов. При пересечении корневыми годографами іш-оси функция z(p) обращает­ ся на частоте этого пересечения соответственно в 0 или в оо.

Это, в частности, означает, что изменение числа положительных веществен­ ных нулей должно сопровождаться обращением в 0 величины ro==z(p_)|p=o, а изменение числа вещественных положительных полюсов — обращением ц в » , что происходит соответственно в точках А , Л2 и Bt, B 2 на рис. П2.1а.

— 163 —

Обозначим /"со = lim z(p). То, что г„ — вещественное положительное чис-

Р ~ + СО

ло, следует из того обстоятельства, что т«, должно равняться характеристиче­ скому сопротивлению линии, соединяющей клеммы двухполюсника с внутренним его устройством. Затухание этой линии при неограниченно возрастает (из-за скин-эффекта, например), и, следовательно, входное сопротивление ее не

диаграмму Найквиста—-дополняют дугами бесконечно большого радиуса так, чтобы -получившийся контур Найквиста был непрерывным (21]. Ясно, что если signr0= —sign г», то это число нечетно и, следовательно, нечетна разность чисел вещественных положительных нулей и полюсов (так как числа комплексных нулей и полюсов четны).

Поэтому, если известно, что на первом участке вольтамперной характери­

лей. Пренебрегая указанными выше маловероятными совпадениями, можно счи­ тать, что и в правой окрестности точки Лі и на всем II участке вольтамперной характеристики z(p) имеет один вещественный положительный нуль.

Интересно, что это означает, что вблизи точки А і при ш-»-0 Imz(ico)>0, т. е. сопротивление двухполюсника имеет индуктивный характер, так как толь­

положительный -вещественный полюс, и поэтому двухполюсник -при хх неустой­ чив.

Применяя эти правила к исследованию устойчивости сложного двухполюс­ ника, состоящего из параллельного соединения исследуемого двухполюсника и внешней нагрузки его, легко получить следующий вывод: цепь неустойчива, если сопротивление постоянному току внешней линейной пассивной нагрузки больше (для II участка) пли меньше (для III участка), чем |г0|.

Если. вольтамперная характеристика исследуемого двухполюсника имеет несколько участков, на которых г0<0, то целесообразно понятием падающий уча­ сток определить те из них, между точками которых и точками на первом уча­

вещественный положительный полюс и двухполюсник неустойчив при хх. Если вольтамперная характеристика — несамопересекагащаяся кривая и зна­

чениям U соответствуют лишь одно или три значения /, то падающие участки

*) Поэтому степени полиномов числителя и знаменателя функции z(p) дол­ жны быть равны. К выводам, которые будут получены, можно прийти, впрочем, используя и более слабое утверждение: степени полиномов числителя и знаме­ нателя г(р) различаются не более чем на 1, и lim z(p) не зависит от положения

р —*• СО

рабочей точки.

2) Точки перегиба можно считать вырожденным случаем падающего участ­ ка (с нулевой длиной) и не учитывать при определении четности числа экстре­ мальных точек.

— 164 —

СПИСОК Л И Т Е Р А Т У Р Ы

1. А й з е р м а н М. А. О построении резонансных графиков для систем с

параметра для исследования периодических режимов в системах автоматиче­ ского регулирования, не содержащих малого параметра. — В сб.: «Памяти Алек­ сандра Александровича Андронова». М., изд. АН СССР, 1955, с. 77—92.

5. А р т ы м А. Д. Электрические корректирующие цепи и усилители. Теория и проектирование. М.—Л., «Энергия», 1965. 418 с. с черт.

6. А р т ы м А. Д. .Усилители с обратной связью. Анализ и синтез. М., «Энер­ гия», 1969, 246 с. с черт.

вопросы построения линейных усилителей многоканальных систем уплотнения симметричных кабелей. Техника связи. 12-канальная система высокочастотного телефонирования по кабельным линиям связи. М., Связьиздат, 1954.

10. Б е л я в ц е в В. М., Ж у к о в И. Н. Максимизация глубины обратной связи в системе с параллельными каналами. — «Вопросы радиоэлектроники,

усилителя с параллельными каналами усиления. —• «Вопросы радиоэлектрони­ ки, серия ТПС», вып. 3, МРП СССР, 1971, с. 88—91.

13. Б е л я в ц е в В. М., Жу к о в " И. Н. Расчет системы с параллельными каналами усиления. — «Вопросы радиоэлектроники, серия ТПС», вып. 3, МРП •СССР, 1971, с. 69—75.

лителя с одноканальной обратной связью и стабильной фазовой характеристи­

тами. Пер. с англ, под ред. доктора техн. наук проф. Н. Т. Кузовкова. М., «Машиностроение», 1969. 286 с. с черт.

—166 —

входном напряжении. — В сб. «Полупроводниковые приборы и их применение».

Пер. с англ, и ред. А. А. Колосова и П. А. Мееровича. М., Изд. иностр. лит-рыг

ся во времени и нелинейных систем в частной области. — Труды Института ин­

равления. Пер. с англ. Л. Я- Ройтенберга. Под ред. А. Ю. Ишлннского. М.,

жимов нелинейных автоматических систем. Труды III Всесоюзного совещания по автоматическому управлению. Многосвязиые и инвариантные системы, нели­ нейные и дискретные системы. М., «Наука», 1968, с. 40—57.

— 167

ного переменного. Изд. 2-е, переработанное. М., Физматгиз, 1958. 678 с. с черт.

в автоматике» под ред. В. А. Карабанова. М., Изд. иностр. лит-ры, 1957, с. 100—108. '

46. Л о н д о н С. Е. Широкополосные радиопередающие устройства. Л., «Энергия», 1970. 148 с. с ил.

47.Л у р ь е А. И. Некоторые нелинейные задачи теории автоматического ре­ гулирования. М.-Л., Гос. изд. техн.-теорет. лит., ІІ951. 216 с. с черт.

48.Л у р ь е Б. Я- О стабильности модуля усиления усилителя с обратной •связью. — «Электросвязь», I960, № 6, с. 5—10.

усиления. — «Электросвязь», 1964, № 12, с. 20—25.

52.Л у р ь е Б. Я- Проектирование транзисторных усилителей с глубокой ■обратной связью. М., «Связь», 1965. 151 с. со схем.

53.Л у р ь е Б. Я- О скачкообразном резонансе. — «Вопросы радиоэлек­ троники, серия XI», вып. '1, 1966.

54.Л у р ь е Б. Я- Максимальная глубина обратной связи в двухканальной системе с ограничением. — «Труды научно-технической конференции ЛЭИС», вып. 2, 1966, с. 86—95.

с.48—52.

61.Л у р ь е Б. Я- О применимости частотных критериев абсолютной устой­ чивости к усилителю с максимальной глубиной обратной связи. — «Труды учеб­

ных институтов связи», вып. 48, 1970, с. 128—135.

62.Л у р ь е Б. Я- О неустойчивости вынужденных колебаний в системе с насыщением. — «Труды учебных институтов связи», вып. 49, 1970, с. 201—241.

63.Л у р ь е Б. Я- Нелинейная межкаскадная коррекция в усилителе с об­ ратной связью. — «Электросвязь», 1970, № 4, с. 53—62.

64.Л у р ь е Б. Я- Приближенное выражение для функции цепи с кусоч­ но-постоянными на трех участках составляющими. — «Труды учебных институ­

тов связи», вып. 55, 1971, с. 219—220.

65. Л у р ь е Б. Я. О связи мнимой и вещественной составляющих гармо­ нической функции нелинейной цепи. — «Вопросы радиоэлектроники, серия ТПС», вып. 9, 1971, с. 139—142.

—168 —

с.30—35.

68.М ал ки н И. Г. Некоторые задачи теории нелинейных колебаний. М.,

ГИТТЛ, 1956. 491 с.

69. М а н д е л ь ш т а м Л. И., П а п а л е к с и Н. Д. О резонансных явле­ ниях при делении частоты. — Л. И. Мандельштам, поли. собр. трудов, т. 2. Изд. АН СССР, 1947.

с.40—67. ЦНИИС, М.

71.М е к к е л ь А. М. Исследование характеристики среза коэффициента пе­

редачи по петле обратной связи условно устойчивого усилителя. — «Сборник

67 с. с черт.

73.Метод гармонической линеаризации в проектировании нелинейных систем автоматического управления. Под ред. Ю. И. Топчеева. М., «Машиностроение»,. 1970 г. 568 с.

74.Метод Гольдфарба в теории регулирования. Сб. статей. М., Госэнер-

гоиздат, 1962. 224 с.

75. Методы синтеза нелинейных систем автоматического управления. Под. ред. доктора техн. наук, проф. С. М. Федорова. М., «Машиностроение», 1970.

равления. Под ред. доктора техн. наук, проф. Ю. И. Топчеева. М., «Машино­ строение», 1971. 466 с. с черт.

79. Ос и п к о в Ю. П. Фазовые характеристики каскада с общим эмиттером, при больших сигналах. — «Вопросы радиоэлектроники, серия ТПС», вып. 4. 1969, с. 70—81.

80. О с и п к о в Ю. П. К расчету функции цепи по ее реальным и мнимым компонентам, заданным на четырех участках частотного диапазона. — «Вопро­ сы радиоэлектроники», серия ТПС», вып. 1, 1970.

81. О си п к ов Ю. П. Усилители с оптимальной характеристикой среза. — «Вопросы радиоэлектроники, серия ТПС», вып. 3, 1970, с. 115— 122.

82. О с и п к о в Ю. П. Некоторые вопросы взаимосвязи вещественных и мни­ мых составляющих функции цепи. — «Теоретическая электротехника», изд. Львов­ ского университета, 1971, № і12.

го синусоидального напряжения. — В со.: «Полупроводниковые приборы и их применение» под ред. С. М. Федорова. М., «Советское радио», вып. 4, I960»

с.200—211.

86.П е т р о в Б. Е. Эквивалентная схема транзистора для больших сину­ соидальных напряжений при высоких частотах. — В об.: «Полупроводниковые приборы и их применение» под ред. С. М. Федорова. М., «Советское радио», вып. 9, 1963, с. 70—89.

— 169 —