5.3. Усилительные тракты со связью вперед

Эффективным средством уменьшения линейных и нелинейных искажений в широкополосных усилительных трактах вне зависимости от вызвавшей их причины (в том числе и амплитудно-фазовой конверсии) является применение связи вперед. Ее основное преимущество по сравнению с ООС, связано с тем, что связь вперед не снижает устойчивости усилительного тракта и, следовательно, ее реализация не ограничивается ни значением фазового сдвига в ТУМ, ни видом его амплитудно-частотной характеристики.

На рис. 5.5 приведена структурная схема широкополосного ТУМ со связью вперед, содержащая 2 кольца компенсации. В первом кольце усиливаемый сигнал через направленный ответвитель поступает одновременно на входы ТУМ () и компенсатора фазовой задержки, модуль коэффициента передачи которого не зависит от частоты, а фазо-частотная характеристика совпадает с требуемой аналогичной характеристикой ТУМ. Часть сигнала с выхода ТУМ через направленный ответвитель поступает на схему вычитания СВ, куда также подается сигнал с выхода . Если коэффициенты передачи и,со входа к выходу2 , и СВ со входов1 и2 связаны с коэффициентом усиления ТУМсоотношением=

, (5.13)

то на выходе СВ появится сигнал, содержащий только продукты искажений, возникших в ТУМ. Таким образом,(как и в схемах с балансной ООС) выступает в роли эталонного канала.

Далее во втором кольце этот сигнал искажений усиливается до требуемого уровня усилителем искажений УИ и в сумматоре вычитается из задержанного на нужное значение сигнала, поступающего с выхода ТУМ через. Необходимая компенсация задержки сигнала искажений, возникающая в УИ, осуществляется . Для полного подавления искажений, возникающих в ТУМ, необходимо, чтобы на любой частоте рабочего диапазона коэффициенты передачи отдельных блоков второго кольца компенсации удовлетворяли равенству

(5.14)

где =– коэффициент передачи канала основного сигнала;– коэффициент передачи канала искажений;– коэффициент передачик выходу1; – коэффициент передачи УИ;и– коэффициенты передачи сумматора со входов1 и 2.

В общем случае для обеспечения отсутствия самовозбуждения в каждом кольце компенсации в схему введены направленные ответвители и , первый из которых не пропускает сигнал с выхода ТУМ на его вход, а второй – с выхода УИ на его вход. УИ представляет собой маломощный широкополосный усилитель, поскольку уровень сигнала искажений существенно меньше, чем полезного. Полосы пропускания ТУМ и УИ обычно одинаковы. имогут быть выполнены на основе ФНЧ или полосовых фильтров либо на основе фазовых звеньев.

Энергетические показатели УИ, существенно влияющие на КПД всего устройства при большом уровне искажений в ТУМ, во многом зависят от конкретного вида сумматора, некоторые варианты схем которого приведены на рис. 5.6 [11]. В схеме на рис. 5.6, а усилитель искажений выступает в роли генератора тока и должен обеспечить режим короткого замыкания для сигнала искажений, возникших в ТУМ.

Рис. 5.6

Схема на рис. 5.6, б дуальна предыдущей, и в ней создается режим холостого хода для сигнала искажений, а УИ должен быть генератором напряжения. Общей особенностью этих схем является то, что в них мощность, отдаваемая УИ, близка к нулю и, следовательно, вся мощность, потребляемая УИ от источника питания, рассеивается на выходных электродах генераторных приборов УИ. Кроме того, в схеме на рис. 5.6, а на выходе УИ присутствует полезный сигнал, созданный ТУМ, что требует существенного увеличения напряжения питания генераторных приборов УИ. В схеме на рис. 5.6, б через выходную цепь УИ протекает выходной ток ТУМ, что приводит к необходимости увеличения постоянной составляющей тока генераторных приборов УИ. Отмеченные явления даже при оптимальном выборе коэффициентов трансформации используемых трансформаторов существенно увеличивают мощность, потребляемую УИ от источника питания, и снижают результирующий КПД всего устройства.

От указанных недостатков свободна схема сумматора на рис. 5.6, в, поскольку в ней использован дифференциальный трансформатор, обеспечивающий в режиме согласования взаимную электрическую развязку между выходными цепями и УИ. Для ее обеспечения необходимо, чтобы в режиме согласования выходные сопротивленияи УИ,сопротивления нагрузки и балластабыли связаны следующими соотношениями:=;=;=;== . При этом мощность полезного сигнала ТУМ будет распределяться между полезной и балластной нагрузками в отношении . Распределение мощности сигнала искажений, созданного УИ, будет прямо противоположным, т. е., что требует определенного увеличения мощности УИ. Сигнал искажений на выходе УИ должен иметь враз большую амплитуду, чем на выходе. Однако необходимо учесть, что УИ работает на нагрузку, а ТУМ – на нагрузку. Поскольку потери мощности полезного выходного сигнала ТУМ должны быть невелики, следует выбирать> 10…15, что создает определенные сложности в реализации дифференциального трансформатора и УИ.

Увеличить в два раза выходную мощность и уменьшить уровень искажений при сохранении значения КПД, присущего ТУМ, позволяет модернизированная схема реализации связи вперед [15]. Ее структурная схема совпадает с рассмотренной ранее на рис. 5.5, а отличие заключается в выборе коэффициентов передачи направленных ответвителей ии в том, что в качестве УИ во втором кольце компенсации используется такой же ТУМ (), как и в первом кольце (), а сумматором является равноплечий дифференциальный трансформатор. При этом возможны два варианта выбора значений и .

В первом варианте коэффициенты передачи выбираются таким образом, чтобы напряжение на выходе схемы вычитания содержало не только сигнал искажений, но и полезный сигнал, равный напряжению на входе . При этом на выходе усилителя второго кольца компенсации будет создан практически такой же полезный сигнал, как и на выходе. Что же касаетсясигнала искажений, присутствующего на входе , то его наличие приведет к компенсации собственных искажений этого усилителя. Следовательно,на одном из входов сумматора будет присутствовать только полезный сигнал, а на другом – полезный сигнал и сигнал искажений. Поскольку полезные сигналы, созданные ТУМ каждого из колец компенсации и поступающие на входы сумматора, одинаковы и синфазны, их мощности просуммируются в полезной нагрузке. Мощность сигнала искажений, возникших в , поделится поровну между полезной и балластной нагрузками. Таким образом уровень искажений в выходном сигнале всего устройства уменьшится на 6 дБ.

Во втором варианте коэффициенты передачи выбираются таким образом, чтобы напряжение на выходе схемы вычитания содержало полезный сигнал и удвоенный сигнал искажений. В этом случае на выходе помимо полезного сигнала появится и сигнал искажений. При этом полезные сигналы, созданные ТУМ каждого кольца компенсации и поступающие на входы сумматора, как и в первом варианте, будут одинаковы и синфазны, а сигналы искажений – одинаковы и противофазны. Следовательно, суммарная мощность сигнала искажений, возникших в каждом из ТУМ, поступит в балластную нагрузку.

Описанные свойства модернизированной схемы усилителя со связью вперед справедливы в том случае, когда иполностью идентичны, а наличие сигнала искажений на входене изменяет его коэффициента передачи, т. е. в нем не возникают искажения второго порядка малости (искажения искажений). Результаты проведенного моделирования, описанные в [15], показали, что если при усилении сигналов с различными видами амплитудной модуляции уровень собственных нелинейных искажений ТУМ составляетдБ, то применение связи вперед в первом варианте реализации позволило их уменьшить на 5…7 дБ, а во втором – на 10…15 дБ. При этом преимущества второго варианта будут тем существеннее, чем меньшими искажениями обладают используемые ТУМ.

Необходимо отметить, что рассмотренному методу повышения линейности усилительных трактов помимо усложнения всего устройства присущи и другие недостатки. Первый из них обусловлен необходимостью увеличения мощности источника сигнала возбуждения , чтоприводит к снижению результирующего коэффициента усиления по мощности всего устройства , где,и– мощности выходного сигнала всего устройства и сигналов возбуждения исоответственно.

Второй недостаток вызван уменьшением выходной мощности , поступающей в общую нагрузку, поскольку часть выходного сигналаиспользуется для формирования сигнала ошибки в напряжении возбуждения.

Рассмотрим каждый недостаток более подробно. При этом будем считать, что и являются самостоятельными устройствами с входным и выходным сопротивлениями, равными стандартному волновому сопротивлению соединительных кабелей , например 50 или 75 Ом. Естественно, что в режиме согласования таким же должно быть и сопротивление нагрузки каждого из ТУМ, т. е. =. В качествеи СВ в простейшем случае может быть использовано пассивное устройство, схема которого приведена на рис. 5.7. Сразу же отметим, что в рассматриваемой схемезаменен делителем напряжения. Однако такая замена не может привести к возникновению самовозбуждения во втором кольце компенсации, поскольку в сумматоре обеспечивается взаимная электрическая развязка между его входами.

Здесь, как и ранее, заменен генератором напряжения с соответствующими величинами выходного сопротивления и ЭДС холостого хода. Входное сопротивление и сопротивление нагрузкив режиме согласования равны, а=. Сигнал возбуждения подается на входчерез трансформатор с коэффициентом трансформации.

Если при построении и СВ должен быть реализован первый вариант построения усилительного тракта, то сопротивление резистораи напряжение на выходе источника возбуждениянаходятся по формулам

= ;=,

где – коэффициент усиления по напряжению каждого из ТУМ.

Реализация схемы возможна, если коэффициенты иудовлетворяют неравенству. Мощность источника возбуждения с выходным напряжением может быть найдена из соотношения

= =.

Минимальное значение = 2может быть получено при условии. Снижение коэффициента усиления по мощности всего устройства при использовании первого варианта связи вперед по сравнению с его значением при простом сложении мощностей двух ТУМ определяется соотношением

.

Минимально возможное снижение коэффициента усиления по мощности всего устройства составляет 1.5 и резко возрастает с ростом и уменьшением.

При использовании второго варианта необходимые значения инаходятся по формулам

= ;=,

а реализация схемы возможна, если коэффициенты иудовлетворяют условию. Мощность источника возбуждения определяется выражением

= =

и при имеет минимально возможное значение, равное 3.

Что же касается части мощности , ответвляемой в цепь возбуждения , то в обоих вариантах построения она практически не зависит от и равна, где– мощность выходного сигнала каждого из ТУМ при работе на согласованную нагрузку.