Реферат: Проектирование цепей коррекции, согласования и фильтрации усилителей мощности радиопередающих устройств

Пример 3.5. Рассчитать КЦ однокаскадного транзисторного усилителя, являющегося одним из восьми канальных усилителей выходного усилителя мощности 500 Вт передатчика FM диапазона, при условиях: 75 Ом; =10 пФ; диапазон частот 88-108 МГц; в качестве усилительного элемента использовать транзистор КТ970А.

Принципиальная схема каскада приведена на рис. 3.22. Элементы
11 нГн, 240 пФ, 56 нГн, 47 пФ формируют трансформатор импедансов (см. раздел 2.3), обеспечивающий оптимальное, в смысле достижения максимального значения выходной мощности, сопротивление нагрузки транзистора и практически не влияющий на форму АЧХ усилительного каскада.

В каскаде использован стабилизатор напряжения базового смещения на транзисторах КТ817Г, обеспечивающий стабилизацию угла отсечки коллекторного тока транзистора КТ970А [23].

Решение. Используя справочные данные транзистора КТ970А [13] и соотношения для расчета значений элементов однонаправленной модели [10], получим: 0,053 Ом; 0,9 нГн; = 113, где  сопротивление базы транзистора;  индуктивности выводов базы и эмиттера транзистора.

Рис. 3.22                                                   Рис. 3.23

Для заданного диапазона частот имеем: = 6,15×108; = 1,23;  Нормированные относительно  и  значения элементов  равны: 7,06×10-4;  7,38×10-3;   0,46. Используя табличные значения , для = 1,3, в соответствии с (3.3) из (3.25) получим: =5,4×10-4. Ближайшее табличное значение = 5×10-4, для которого: 0,2626; 4,216; 69,26;  0,01325. По соотношениям (3.26) определим: 0,2626; 3,756;  54,56;  0,0093. Осуществляя денормирование элементов КЦ, имеем: 32 нГн; 81,4 пФ; 1183 пФ;
1,1 нГн. По соотношению (3.27) найдем коэффициент усиления каскада: 7,33.

На рис. 3.23 приведена АЧХ спроектированного однокаскадного усилителя, вычисленная с использованием полной эквивалентной схемы замещения транзистора [13] (кривая 1). Здесь же представлена экспериментальная характеристика усилителя (кривая 2).

3.3.3. Параметрический синтез полосовых усилительных каскадов с корректирующей цепью, выполненной в виде фильтра нижних частот

Описание схемы КЦ, приведенной на рис. 3.17, ее применение в полосовых усилителях мощности, а также методика настройки даны в [19, 20, 25, 57]. Известные методы расчета указанной КЦ [20, 25, 57] 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  и  - и - цепями перейдем к схеме, приведенной на рис. 3.24.

Рис. 3.24

Коэффициент прямой передачи последовательного соединения КЦ и транзистора  может быть описан в символьном виде дробно-рациональной функцией комплексного переменного:

,                     (3.31)

где    ;

 – нормированная частота;

 – текущая круговая частота;

 – центральная круговая частота полосового усилителя;

;

          – коэффициент усиления транзистора  по мощности в режиме двухстороннего согласования на частоте =1;

            (3.32)

         ;

         ;

          – нормированные относительно  и  значения элементов ;

          – активная и емкостная составляющие выходного сопротивления транзистора ;

          – активная и индуктивная составляющие входного сопротивления транзистора .

Из (3.31) следует, что коэффициент усиления на частоте =1 равен:

.                        (3.33)

В качестве прототипа характеристики (3.31) выберем функцию:

.                      (3.34)

Квадрат модуля функции-прототипа (3.34) имеет вид:

.                        (3.35)

Для выражения (3.35) составим систему линейных неравенств (3.5):

                  (3.36)

Решая (3.36) для различных  и  при условии максимизации функции цели: , найдем коэффициенты , соответствующие различным полосам пропускания полосового усилительного каскада. Вычисляя полиномы Гурвица знаменателя функции (3.35), определим коэффициенты функции-прототипа (3.34).

Значения коэффициентов функции-прототипа для различных полос пропускания и неравномерности АЧХ ±0,25 дБ приведены в таблице 3.7. Здесь же представлены результаты вычислений нормированных значений элементов , полученные из решения системы неравенств (3.3) и соответствующие различным значениям .

Анализ полученных результатов позволяет установить следующее. Для заданной относительной полосы пропускания, определяемой отношением , где  – верхняя и нижняя граничные частоты полосового усилителя, существует определенное значение , при превышении которого реализация каскада с требуемой формой АЧХ становится невозможной. При допустимой неравномерности АЧХ, равной 0,25 дБ, ее аппроксимация функцией (2.34) возможна при условии . При допустимой неравномерности АЧХ более 0,25 дБ, область аппроксимации увеличивается незначительно. Поэтому создание усилителя с полосой пропускания более одной октавы с использованием изображенной на рис. 3.17 КЦ невозможно.

Рассматриваемая КЦ (рис. 3.17) может быть использована и в качестве входной КЦ усилителя. В этом случае при расчетах следует полагать , .

Таблица 3.7 – Нормированные значения элементов КЦ

Продолжение таблицы 3.7

Пример 3.6. Рассчитать КЦ однокаскадного транзисторного усилителя, являющегося одним из четырех канальных усилителей выходного усилителя мощности 250 Вт передатчика пятого канала телевидения, при условиях: 75 Ом, диапазон усиливаемых частот 92-100 МГц, используемый транзистор – КТ970А.

Схема каскада приведена на рис. 3.25. Элементы 12,5 нГн,
213 пФ, 60 нГн, 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 [13] и соотношения для расчета значений элементов однонаправленной модели [10], получим: 0,053 Ом; 0,9 нГн, = 110, где  сопротивление базы транзистора,  индуктивности выводов базы и эмиттера транзистора.

Рис. 3.25                                                   Рис. 3.26

Для заданного диапазона частот имеем: = =6,0288·108, = 1,087. Нормированное относительно  значение  равно:  7,06·10-4. Как следует из таблицы 3.7, рассчитанному значению  соответствует минимально достижимая полоса пропускания, определяемая величиной =1,3. Ближайшее табличное значение , при условии =1,3, равно 6·10-4. Для этого значения  из таблицы найдем: =2,757; =0,3574; =32,25; =0,0304. Осуществляя денормирование элементов КЦ, получим: =61 пФ; =44,46 нГн; =713,2 пФ; =3,78 нГн;  = 2,88 нГн. По соотношению (3.33) и данным таблицы найдем коэффициент усиления рассчитываемого каскада: =5,683.

На рис. 3.26 приведена АЧХ спроектированного однокаскадного усилителя, вычисленная с использованием полной эквивалентной схемы замещения транзистора [13] (кривая 1). Здесь же представлена экспериментальная характеристика усилителя (кривая 2).

Список использованных источников

1.   Проектирование радиопередающих устройств с применением ЭВМ / Под ред. О.В. Алексеева. – М.: Радио и связь, 1987. – 392 с.

2.   Широкополосные радиопередающие устройства / Алексеев О.В., Головков А.А., Полевой В.В., Соловьев А.А.; Под ред. О.В. Алексеева. - М.: Связь, 1978. – 304 с.

3.   Проектирование радиопередатчиков / В.В. Шахгильдян, М.С. Шумилин, В.Б. Козырев и др.; Под ред. В.В. Шахгильдяна. – М.: Радио и связь, 2000. – 656 с.

4.   Каганов В.И. Радиопередающие устройства. – М.: ИРПО: Издательский центр «Академия», 2002. – 288 с.

5.   Асессоров В.В., Кожевников В.А., Асеев Ю.Н., Гаганов В.В. Модули ВЧ усилителей мощности для портативных средств связи // Электросвязь. – 1997. - № 7. – С. 21 – 22.

6.   Титов А.А. Двухканальный усилитель мощности с диплексерным выходом // Приборы и техника эксперимента. – 2001. – № 1. – С. 68 – 72.

7.   Шварц Н.З. Линейные транзисторные усилители СВЧ. - М.: Сов. радио, 1980. – 368 с.

8.   Никифоров В.В., Терентьев С.Ю. Синтез цепей коррекции широкополосных усилителей мощности с применением методов нелинейного программирования // Сб. «Полупроводниковая электроника в технике связи» / Под ред. И.Ф. Николаевского. – М.: Радио и связь, 1986. – Вып. 26. – С. 136–144.

9.   Никифоров В.В., Кулиш Т.Т., Шевнин И.В. К проектированию широкополосных усилителей мощности КВ- УКВ- диапазона на мощных МДП-транзисторах // В сб.: Полупроводниковые приборы в технике связи / Под ред. И.Ф. Николаевского. – М.: Радио и связь. -1993. – Вып. 23. – С. 105–108.

10.            Титов А.А., Бабак Л.И., Черкашин М.В. Расчет межкаскадной согласующей цепи транзисторного полосового усилителя мощности // Электронная техника. Сер. СВЧ-техника. – 2000. – Вып. 1. – С. 46–50.

11.            Бабак Л.И., Шевцов А.Н., Юсупов Р.Р. Пакет программ автоматизированного расчета транзисторных широкополосных  и импульсных УВЧ - и СВЧ усилителей // Электронная техника. Сер. СВЧ – техника. – 1993. – Вып. 3. – С. 60–63.

12.            Шварц Н.З. Усилители СВЧ на полевых транзисторах. – М.: Радио и связь, 1987. – 200 с.

13.            Петухов В.М. Полевые и высокочастотные биполярные транзисторы средней и большой мощности и их зарубежные аналоги: Справочник. В 4 томах. – М.: КУбК-а, 1997.

14.            Мамонкин И.Г. Усилительные устройства. Учебное пособие для вузов. - М.: Связь. 1977. – 360 с.

15.            Титов А.А. Расчет схемы активной коллекторной термостабилизации и её использование в усилителях с автоматической регулировкой потребляемого тока // Электронная техника. Сер. СВЧ – техника. – 2001. – № 2. – С. 26–30.

16.            Устройства сложения и распределения мощностей высокочастотных колебаний / В.В. Заенцев, В.М. Катушкина, С.Е. Лондон, З.И. Модель; Под ред. З.И. Моделя. – М.: Сов. радио, 1980. – 296 с.

17.            Лондон С.Е., Томашевич С.В. Справочник по высокочастотным трансформаторным устройствам. – М.: Радио и связь, 1984. – 216 с.

18.            Титов А.А., Болтовская Л.Г. Высоковольтный транзисторный усилитель однополярных импульсов // Приборы и техника эксперимента. – 1979. – №2. – С. 140–141.

19.            Гребенников А.В., Никифоров В.В. Транзисторные усилители мощности для систем подвижной радиосвязи метрового и дециметрового диапазонов волн // Радиотехника. – 2000 – № 5. – С. 83–86.

20.            Гребенников А.В., Никифоров В.В., Рыжиков А.Б. Мощные транзисторные усилительные модули для УКВ ЧМ и ТВ вещания // Электросвязь. – 1996. – № 3. – С. 28–31.

21.            Титов А.А., Кологривов В.А. Параметрический синтез межкаскадной корректирующей цепи полосового усилителя мощности // Электронная техника. Сер. СВЧ – техника. – 2002. – Вып. 1. – С. 6–13.

22.            Титов А.А. Усилитель мощности для оптического модулятора // Приборы и техника эксперимента. – 2002. – № 5. – С. 88–90.

23.            Титов А.А. Полосовой усилитель мощности с повышенной линейностью амплитудной характеристики // Приборы и техника эксперимента. – 2003. – № 4. – С. 65–68.

24.            Радиопередающие устройства: Учебник для вузов / Л.А. Белов, М.В. Благовещенский, В.М. Богачев и др.; Под ред. М.В. Благовещенского, Г.У. Уткина. – М.: Радио и связь, 1982. – 408 с.

25.            Знаменский А.Е., Нестеров М.И. Расчет трансформаторов сопротивлений с сосредоточенными элементами // Техника средств связи. Сер. Техника радиосвязи. – 1983. – Вып. 1 – С. 83–88.

26.            Знаменский А.Е. Таблицы для расчета трансформаторов сопротивлений в виде фильтров нижних частот. // Техника средств связи. Сер. Техника радиосвязи. – 1985. – Вып. 1. – С. 99–110.

27.            Мелихов С.В. Аналоговое и цифровое радиовещание: Учебное пособие. – Томск: Томск. гос. ун-т систем управления и радиоэлектроники, 2002. – 251 с.

28.            ГОСТ 20532 – 83. Радиопередатчики телевизионные 1 – 5 диапазонов. Основные параметры, технические требования и методы измерений. – М.: Издательство стандартов, 1984. – 34 с.

29.            ГОСТ Р 50890 – 96. Передатчики телевизионные маломощные. Основные параметры. Технические требования. Методы измерений. – М.: Издательство стандартов, 1996. – 36 с.

30.            Иванов В.К. Оборудование радиотелевизионных передающих станций. – М.: Радио и связь, 1989. – 336 с.

31.            Зааль Р. Справочник по расчету фильтров: Пер. с нем. - М.: Радио и связь. 1983. – 752 с.

32.            Титов А.А., Григорьев Д.А. Параметрический синтез межкаскадных корректирующих цепей высокочастотных усилителей мощности // Радиотехника и электроника. – 2003. – № 4. – С 442–448.

33.            Howard A. Higher manufacturing yields using DOE // Microwave J. – 1994. – Vol. 37. – No. 7. – P. 92 – 98.

34.            Бабак Л.И., Пушкарев В.П., Черкашин М.В. Расчет сверхширокополосных СВЧ усилителей с диссипативными корректирующими цепями // Известия вузов. Радиоэлектроника. – 1996. – Том 39. - № 11. - С. 20 – 28.

35.            Ku W.H., Petersen W.C. Optimum gain-bandwidth limitation of transistor amplifiers. // IEEE Trans. – 1975. – Vol. CAS - 22. – No. 6. – P. 523 – 533.

36.            Ланнэ А.А. Оптимальный синтез линейных электронных схем. – М.: Связь, 1978. – 336 с.

37.            Трифонов И.И. Расчет электронных цепей с заданными частотными характеристиками. – М.: Радио и связь, 1988. – 304 с.

38.            Балабанян Н. Синтез электрических цепей. – М.: Госэнергоиздат, 1961. – 543 с.

39.            Муртаф Б. Современное линейное программирование: Пер. с англ. – М.: Мир, 1984. – 224 с.

40.            Смирнов Р.А. Оптимизация параметров импульсных и широкополосных усилителей. – М.: Энергия, 1976. – 200 с.

41.            Титов А.А. Расчет межкаскадной корректирующей цепи многооктавного транзисторного усилителя мощности. // Радиотехника. – 1987. – №1. – С. 29 – 31.

42.            Мелихов С.В., Титов А.А. Широкополосный усилитель мощности с повышенной линейностью // Приборы и техника эксперимента. – 1988. – № 3. – С. 124 – 125.

43.            Титов А.А., Ильюшенко В.Н., Авдоченко Б.И., Обихвостов В.Д. Широкополосный усилитель мощности для работы на несогласованную нагрузку // Приборы и техника эксперимента. – 1996. – № 2. – С. 68 – 69.

44.            Окснер Э.С. Мощные полевые транзисторы и их применение: Пер. с англ. – М.: Радио и связь, 1985. – 288 с.

45.            Брауде Г.З. Коррекция телевизионных и импульсных сигналов. // Сб. статей. – М.: Связь, 1967. – 245 с.

46.            Титов А.А. Параметрический синтез межкаскадной корректирующей цепи широкополосного усилителя мощности на полевых транзисторах. // Радиотехника. – 2002. – № 3 - С. 90–92.

47.            Obregon J., Funck F., Borvot S. A 150 MHz – 16 GHz FET amplifier. // IEEE International solid-state Circuits Conference. – 1981, February. – P. 66 – 67.

48.            Авдоченко Б.И., Ильюшенко В.Н., Донских Л.П. Пикосекундные усилительные модули на транзисторах с затвором Шотки // Приборы и техника эксперимента. – 1986. – № 5. – С. 119–122.

49.            Гринберг Г.С., Могилевская Л.Я., Хотунцев Ю.Л. Численное моделирование нелинейных устройств на полевых транзисторах с барьером Шотки // Электронная техника. Сер. СВЧ-техника. – 1993. – Вып. 4. – С. 18–22.

50.            Потемкин В.Г. Система инженерных и научных расчетов MATLAB 5.x: - В 2-х томах. – М.: ДИАЛОГ-МИФИ, 1999.

51.            Титов А.А. Параметрический синтез межкаскадной корректирующей цепи сверхширокополосного усилителя мощности // Известия вузов. Сер. Электроника. – 2002. – № 6. – С. 81–87.

52.            Бабак Л.И., Дергунов С.А. Расчет цепей коррекции сверхширокополосных транзисторных усилителей мощности СВЧ // Сб. «Радиотехнические методы и средства измерений» – Томск: Изд-во Том. ун-та, 1985 г.

53.            Жаворонков В.И., Изгагин Л.Н., Шварц Н.З. Транзисторный усилитель СВЧ с полосой пропускания 1 – 1000 МГц // Приборы и техника эксперимента. – 1972. – № 3. – С. 134–135.

54.            Титов А.А. Параметрический синтез широкополосных усилительных ступеней с заданным наклоном амплитудно-частотной характеристики // Известия вузов. Сер. Радиоэлектроника. – 2002. – № 10. – С. 26–34.

55.            Манзон Б.М. Maple 5 Power Edition – М.: Информационно-издательский дом «Филинъ», 1998. – 240 с.

56.            Титов А.А. Расчет амплитудной характеристики каскада, работающего в режиме с отсечкой коллекторного тока // Известия вузов. Сер. Радиоэлектроника. – 2003. – № 2. – С. 33–37.

57.            Вай Кайчень. Теория и проектирование широкополосных согласующих цепей: Пер. с англ. – М.: Связь, 1979. – 288 с.