ШИРОКОПОЛОСНЫЕ УСИЛИТЕЛИ
Особенности широкополосных усилителей
Использование перестраиваемых контуров требует большого времени перехода с одной частоты на другую, снижает надежность, усложняет эксплуатацию.
Устранить эти недостатки позволяют широкополосные усилители (ШПУ). ШПУ необходимы для передачи сигналов с широким спектром.
ШПУ дают ряд преимуществ и при узкополосных сигналах.
Использование ШПУ упрощает проектирование и изготовление РПУ, можно строить передатчики с различными рабочими частотами.
Функции ШП цепей связи выполняют трансформаторы на ферритовых сердечниках, ФНЧ или ПФ на сосредоточенных элементах LC, либо на распределенных структурах (например, отрезках полосковых линий).
Если требования к неравномерности АЧХ усилителя нежесткие, а полоса не превосходит октавы ( В/ Н<2), то можно использовать простейшие цепи, например одиночные LC- контуры.
В усилителях с полосой несколько октав применяют трансформаторы с ферритами. Это позволяет избавиться от всех перестраиваемых резонансных цепей в промежуточных каскадах.
На выходе передатчика с полосой более октавы ( В/ Н>2) для фильтрации высших гармоник приходится ставить ряд переключаемых фильтров с полосой пропускания каждого из них менее октавы. Таким образом, весь диапазон рабочих частот разделяется на несколько поддиапазонов.
Необходимость в переключаемых фильтрах отпадает в многооктавных усилителях с раздельными полосами (УРП).
Требования к ЦС ШПУ.
•Выходная ЦС должна преобразовывать RП в близкое к оптимальному сопротивление коллекторной нагрузки во всем рабочем диапазоне.
•Фильтрация высших гармоник.
•Межкаскадная ЦС должна корректировать спад АЧХ усилителя, вызванный инерционными явлениями в АЭ.
•Иметь необходимое сопротивление нагрузки предыдущему каскаду или необходимое входное сопротивление усилителя в целом.
2
УСИЛИТЕЛИ С ПОЛОСОЙ МЕНЕЕ ОКТАВЫ
В диапазонах МВ и ДМВ нужны усилители с полосой не более октавы. Межкаскадные ЦС таких усилителей выполняют как на сосредоточенных, так и
на распределенных элементах.
Рассмотрим ШПУ на БT по схеме с ОЭ, использующих простейшие LC-цепи связи.
На частотах f > 3 fТ/h21Э модуль коэффициента БТ 1/f.
Следовательно, для поддержания неизменного iк в рабочем диапазоне
необходим линейный рост тока базы iб с частотой.
Для частот f 3fТ/h21Э при активной нагрузке в цепи коллектора RК входное сопротивление ZBX транзистора в режиме без отсечки в схеме с ОЭ имеет частотно-
независимую
LВХ
активную |
составляющую rВХ |
и |
реактивную |
составляющую |
|
|
|
В простейшей входной ЦС, корректирующей |
|||
ХВХ= LВХ (рис. 1). |
|
|
|
||
rВХ |
|
частотную зависимость коэффициента усиления |
|||
|
по току, можно применить последовательный |
||||
|
|
или параллельный |
одиночный |
колебательный |
|
|
|
контур, включающий элементы |
эквивалентной |
||
Z |
|
схемы ZBX БТ на рис. 1. |
|
||
BX |
|
|
|
|
|
транзистора с ОЭ для режима без |
3 |
|
отсечки на ВЧ |
||
|
|
|
|
|
|
|
Из рис. 3а видно, что, |
||||
|
|
|
|
|
|
выбрав |
резонансную |
|||
|
|
|
|
|
|
частоту контура 0 вблизи |
||||
|
|
|
|
|
|
верхней частоты диапазона |
||||
|
|
RBH~rВХ |
|
|
|
В, |
можно |
|
получить |
|
|
|
|
|
увеличение |
амплитуды |
|||||
|
|
|
|
Н |
В= 0 |
|||||
|
|
|
|
тока |
базы |
с |
ростом |
|||
Рис. 2а. Схема частотной коррекции |
|
|
||||||||
Рис. 3а. Нормированные АЧХ IБ и |
частоты. Неравномерность |
|||||||||
|
|
коэффициента передачи |
|
|||||||
|
|
|
IК1 ШПУ с корректирующей цепью |
IК1 (8...10)% |
|
для |
||||
|
|
транзистора по току в виде |
|
|
||||||
последовательного контура |
|
в виде последовательного контура |
диапазона Н... В |
порядка |
||||||
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
октавы, |
|
|
||
|
|
ЦС согласована с генератором на 0, Q входной цепи в целом (с учетом RBH |
||||||||
источника сигнала) должна быть в 2 раза меньше – 1,15. |
QLBЕТВИ= ВL/rВХ 2,3. |
|||||||||
|
|
|
|
|||||||
|
|
За частоту 0 |
принимают В, так как при 0< В |
на частотах выше 0 |
||||||
амплитуда коллекторного тока IК1 начинает круто спадать, а при 0> В |
сужается |
|||||||||
полоса частот, в которой мала неравномерность IК1.
Входное сопротивление ЦС на рис.2а на В= 0 равно rВХ, т. е. цепь не
обладает трансформирующими свойствами. Это является ее недостатком.
Так как стандартное сопротивление большинства СВЧ трактов равно 50 Ом, эту ЦС без дополнительного трансформатора можно рекомендовать для маломощных транзисторов с rВХ=50 Ом.
4
Корректирующая цепь в виде параллельного контура
Q 
RpRs 1 4.5 и KR RpRs Q2 1 20
|
|
|
|
|
Рис. 2б. Схемы частотной |
|
Н |
В= 0 |
|
Рис. 3б. Нормированные АЧХ IБ и |
||||
коррекции коэффициента передачи |
||||
транзистора по току в виде |
IК1 ШПУ с корректирующей цепью |
|||
параллельного контура |
в виде параллельного контура |
|||
IК1 (8...10)% для Н... В порядка октавы, если |
QLBЕТВИ= ВL/rВХ 4,5. |
|||
ЦС согласована с генератором на 0, добротность входной цепи в целом с учетом RBH источника сигнала должна быть в 2 раза меньше–2,25.
Корректирующая ЦС на рис.2б способна трансформировать входное сопротивление транзистора. Но коэффициент трансформации равен QВ2=20 на частоте В. Такая ЦС удобна для ШПУ на мощных транзисторах, имеющих rВХ
порядка единиц ом. |
5 |
|
Рассмотренные простые схемы коррекции АЧХ транзистора относятся к цепям с отражением «избыточной» мощности.
Подразумевается, что мощность возбудителя частотно-независима, а его сопротивление RBН определено и постоянно в рабочем диапазоне.
По мере приближения к нижней границе диапазона частот Н мощность возбуждения снижается, так как ZBX ЦС из согласованного на верхней частоте В активного сопротивления, становится комплексным, с нарастанием рассогласования к нижней частоте Н . При этом возрастает мощность рассеяния АЭ источника возбуждения в нижней части диапазона, а иногда и возникает паразитное самовозбуждение.
Недостатки корректирующих цепей с отражением «избыточной» мощности устраняются в цепях с постоянным ZBX, поглощающих эту мощность в специальных балластных резисторах.
6
Если схему на рис. 2а с последовательным контуром дополнить двухполюсником r1, X1, (рис.4а), то она превратится в цепь с постоянным ZBX, сохранив свойства АЧХ. Входное сопротивление цепи на рис. 4а:
ZВХ ( ) |
r1 jX1 r2 jX2 |
|
|
r1r2 |
X1 X2 j r1 X2 r2 X1 |
|
(1) |
||
r1 |
r2 |
j X1 X2 |
|
|
r1 r2 j X1 X2 |
|
|||
|
|
|
|
|
|||||
не зависит от частоты и вещественно, когда r1= r2= r, а вещественные и мнимые
части числителя и знаменателя пропорциональны: |
|
|
|
|
|
r |
X1 X2 |
|
|
||||||||||||||
|
|
Х2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
r r X X |
|
|
r |
(2) |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
2 |
2r |
1 |
2 |
|
X1 X2 |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
L |
|
|
|
|
|
|
r1 |
|
C2 |
L2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
r1 |
C |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
r2 |
ZВХ( )=r |
|
на |
всех |
частотах |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
r2 = rВХ |
|
|
|
|
C1 |
|
L1 |
0= В |
от 0 до , если |
-X1X2=r |
2 |
(3) |
||||||||
Х1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
а) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
б) |
Если X L -1/ C |
, то из (3) |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
2 |
|
|
|
Рис. 4. Эквивалентные схемы корректирующей входной цепи |
X1( )=-r2 C2/( L2C2-1) |
|
|
||||||||||||||||||||
|
и ШПУ с постоянным входным сопротивлением |
м.б. реализовано контуром L1,C1, |
|||||||||||||||||||||
|
|
|
1 |
|
|
2 L C |
|
1 |
|
|
|
||||||||||||
X 2 |
L2 |
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
для которого |
|
|
|
|
|
|||||||||
C2 |
|
|
C2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
L1C1= L2C2; |
|
r2C2=L1; |
|
(4) - (5) |
|||||||||
|
|
r2 |
|
r2 C |
|
|
|
L |
|
|
|
||||||||||||
X1 |
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
X 2 L C |
|
2 L C 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
2 |
2 |
|
|
|
1 |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
7 |
|
Параметры элементов цепи коррекции рис.4б для октавной полосы Н… В: |
|||||||||||||||
QВ = В L2 / r2 1.15 |
0 |
1 |
|
|
|
1 |
B |
|
|
(6) - (7) |
|||||
L1C1 |
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
L2C2 |
|
|
|
|
|
||||
В выходной цепи VT ограничивают полосу частот ШПУ |
|
|
|
||||||||||||
емкость СК |
и индуктивность |
LK коллекторного |
вывода. На |
|
|
Lк |
|||||||||
невысоких частотах при LK<<1/ СК и влиянием LK на полосу |
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|||||||||||||
можно пренебречь. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Cк |
|
||
В этом случае простейшим средством компенсации |
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|||||||||||||
емкостной проводимости СК |
является включение |
|
|
|
|||||||||||
параллельно |
выходу |
транзистора |
индуктивности |
|
LH |
|
|
|
|||||||
(рис. 5). Емкость СК и индуктивность LH образуют |
|
|
|
||||||||||||
параллельный контур, настроенный в резонанс на средней |
|
|
|
||||||||||||
рабочей частоте. Емкость СР–разделительная. |
|
|
коррекции |
является |
|
низкая |
|||||||||
|
|
|
Условием |
|
|
||||||||||
|
|
Cр |
добротность контура, образованного СК, LН RН и |
||||||||||||
|
Cк Lн |
Rн |
gВЫХ |
– активной |
|
составляющей |
выходной |
||||||||
|
проводимости транзистора. |
|
|
|
|||||||||||
|
Cбл |
Для октавной полосы QВЫХ<0,424 . |
|
|
|||||||||||
|
Одноконтурная |
|
схема |
не |
|
может |
|||||||||
|
+ |
|
|
|
|||||||||||
|
|
трансформировать |
сопротивления |
и |
плохо |
||||||||||
Рис. 5. Простая нетрансформирующая |
|||||||||||||||
фильтрует |
|
|
гармоники. Применяется, |
когда |
|||||||||||
схема выходной цепи связи ШПУ |
|
|
|||||||||||||
отношение R |
|
=E |
2/2P |
50 Ом. |
|
8 |
|||||||||
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
вых |
|
П |
1 |
|
|
|
|
||
Если необходимо трансформировать сопротивление в коллекторной цепи или нельзя пренебречь индуктивностью LK ( LK того же порядка, что и 1/ СК),
применяют систему связанных контуров, расширяющую полосу пропускания цепи при заданной неравномерности АЧХ.
|
L'1 |
L2 |
Cбл |
L1 |
|
|
Lк |
|
L2 |
|
|||
|
L3 |
|
Rп |
C1 |
L3 |
Rп |
Cк |
C2 |
C2 |
||||
|
|
|
|
(СК) |
|
|
|
|
Cбл |
|
|
|
|
а) |
Рис.6. Электрическая (а) и эквивалентная (б) схемы двухконтурной |
|
||||
|
трансформирующей цепи на выходе ШПУ |
б) |
|
|||
В этих случаях СК и LК входят в состав первого контура. Такие цепи лучше фильтруют гармоники, чем одноконтурные.
9
УСИЛИТЕЛИ С РАЗДЕЛЬНЫМИ ПОЛОСАМИ
В ШПУ с полосой более октавы, особенно в режиме с отсечкой, для фильтрации высших гармоник можно разбивать рабочий диапазон на ряд поддиапазонов, каждый менее октавы.
Переход от одного поддиапазона к другому должен сопровождаться включением соответствующего фильтра на выходе, т. е. необходимо использовать систему коммутируемых фильтров гармоник. Это снижает быстродействие системы при переходе от одного поддиапазона к другому, а также исключает возможность усиления сигнала с шириной спектра более октавы. Кроме того, при таких полосах трудно получить равномерную АЧХ.
Указанные недостатки устраняются в так называемых усилителях с раздельными полосами (УРП, рис.7). Принцип их работы состоит в разделении полной полосы частот усилителя на несколько смежных полос, каждая шириной менее октавы, с помощью частотно-разделительного устройства, называемого мультиплексером (МП) и содержащего набор фильтров.
Рис. 7. Схема усилителя с раздельными |
10 |
|
|
полосами |
|
U
fimax/ fimin<2
f
f1 f2 f3 f4
Смежные полосы имеют небольшое перекрытие. Усиление сигнала в каждой частной полосе осуществляется с помощью простого и относительно узкополосного усилителя. Затем выходы усилителей частных полос объединяются частотно-суммирующим устройством.
Преимущества УРП:
•фильтрация высших гармоник возможна без коммутации фильтров.
•упрощается формирование плоской АЧХ усилителя за счет возможности раздельной корректировки АЧХ в каждой частной полосе.
•возможно одновременное усиление нескольких сигналов с сильно отличающимися частотами или сверхширокополосного сигнала.
Если сигнал сравнительно узкополосный, то работает только один канал, и это приводит к сильному недоиспользованию усилителя по мощности.
11