Проектирование цепей коррекции, согласования и фильтрации усилителей мощности радиопередающих устройств

увеличением [pic].

При условии [pic]>1,3 в каскаде с анализируемой КЦ коэффициент

усиления в области частот ниже [pic] оказывается соизмеримым с его

коэффициентом усиления в полосе рабочих частот. Поэтому в таблице приведены

результаты расчетов нормированных значений элементов КЦ ограниченные

отношением [pic] равным 1,3.

При известных [pic] (см. раздел 3.22) расчет КЦ состоит из следующих

этапов. Вычисляются значения элементов [pic]. По таблице выбираются

значения [pic] соответствующие требуемому значению отношения [pic] и

рассчитанному значению [pic]. По формулам пересчета (3.13) рассчитываются

значения [pic] и осуществляется их денормирование.

Таблица 3.5 – Нормированные значения элементов КЦ

| |[pic] |[pic] |[pic] |[pic] |

| |0.0057 |2.036 |11.819 |0.081 |

|[pic]=1,05 |0.0056 |2.043 |10.763 |0.088 |

| |0.0054 |2.051 |9.732 |0.097 |

|[pic]=2.1145 |0.0049 |2.062 |8.61 |0.109 |

|[pic]=1.2527 |0.0043 |2.072 |7.868 |0.119 |

|[pic]=1.9394 |0.0026 |2.092 |6.711 |0.138 |

| |0.0 |2.115 |5.78 |0.159 |

| |0.0347 |0.907 |3.606 |0.231 |

|[pic]=1,1 |0.034 |0.92 |3.277 |0.251 |

| |0.033 |0.933 |2.993 |0.271 |

|[pic]=1.0630 |0.03 |0.956 |2.62 |0.302 |

|[pic]=1.1546 |0.025 |0.981 |2.31 |0.334 |

|[pic]=0.75594 |0.016 |1.015 |2.005 |0.372 |

| |0.0 |1.063 |1.705 |0.417 |

| |0.0705 |1.004 |2.622 |0.278 |

|[pic]=1,2 |0.0695 |1.022 |2.403 |0.298 |

| |0.068 |1.038 |2.216 |0.318 |

|[pic]=1.2597 |0.063 |1.07 |1.945 |0.352 |

|[pic]=1.1919 |0.054 |1.108 |1.707 |0.387 |

|[pic]=0.7321 |0.036 |1.165 |1.457 |0.431 |

| |0.0 |1.26 |1.199 |0.485 |

| |0.106 |0.963 |2.056 |0.307 |

|[pic]=1,3 |0.105 |0.98 |1.903 |0.327 |

| |0.102 |1.006 |1.708 |0.355 |

|[pic]=1.2830 |0.094 |1.044 |1.496 |0.39 |

|[pic]=1.13763 |0.08 |1.091 |1.311 |0.426 |

|[pic]=0.60930 |0.05 |1.169 |1.104 |0.472 |

| |0.0 |1.283 |0.919 |0.517 |

Рассматриваемая КЦ (рис. 3.15) может быть использована и в качестве

входной корректирующей цепи усилителя. В этом случае при расчетах следует

полагать [pic], где [pic] – активная и емкостная составляющие сопротивления

генератора.

Пример 3.4. Рассчитать КЦ однокаскадного усилителя на транзисторе

КТ939А при условиях: [pic] 50 Ом, где [pic] – сопротивление нагрузки;

[pic]= 2 пФ; центральная частота полосы пропускания равна 1 ГГц;

относительная полоса пропускания равна 1,1. Выбор в качестве примера

проектирования однокаскадного варианта усилителя обусловлен возможностью

простой экспериментальной проверки точности результатов расчета, чего

невозможно достичь при реализации многокаскадного усилителя. Схема

усилителя приведена на рис. 3.18. На выходе усилителя включена выходная

корректирующая цепь, состоящая из элементов [pic] = 4 нГн, [pic] = 4,7 пФ

(см. раздел 2.1).

[pic] [pic]

Рис. 3.18 Рис. 3.19

Решение. Используя справочные данные транзистора КТ939А [13] и

соотношения для расчета значений элементов однонаправленной модели [10],

получим: [pic]0,75 нГн; [pic]1,2 Ом; [pic]15. Нормированные относительно

[pic] и [pic] значения элементов [pic] равны: [pic] 0,628; [pic] 0,0942;

[pic] 0,024. Подставляя [pic] и коэффициент [pic] для случая [pic]=1,1 из

таблицы в (3.12), рассчитаем: [pic] = 0,004. Ближайшая табличная величина

[pic] равна 0,0. Для указанного значения [pic] из таблицы найдем: [pic] =

1,063; [pic] = 1,705; [pic] = 0,417. Подставляя найденные величины в (3.13)

получим: [pic] = 0,435; [pic] = 0,03; [pic] = 2,39. Денормируя полученные

значения элементов КЦ определим: [pic] = 1,38 пФ; [pic] = 0,1 пФ; [pic] =

19 нГн. Теперь по (3.11) вычислим: [pic] = 1,96.

На рис. 3.19 приведена АЧХ спроектированного однокаскадного усилителя,

вычисленная с использованием полной эквивалентной схемы замещения

транзистора КТ939А [13] (кривая 1). Здесь же представлена экспериментальная

характеристика усилителя (кривая 2).

3.3.2. Параметрический синтез полосовых усилительных каскадов с

корректирующей цепью четвертого порядка

Описание рассматриваемой схемы (рис. 3.16), ее применение в полосовых

усилителях мощности и методика настройки даны в работах [5, 6, 21].

Аппроксимируя входной и выходной импедансы транзисторов [pic] и [pic]

[pic]- и [pic]- цепями перейдем к схеме, приведенной на рис. 3.20.

[pic][pic]

Рис. 3.20 Рис. 3.21

Вводя идеальный трансформатор после конденсатора [pic] и применяя

преобразование Нортона, перейдем к схеме, представленной на рис. 3.21.

Коэффициент прямой передачи последовательного соединения

преобразованной схемы КЦ и транзистора [pic] может быть описан в символьном

виде дробно-рациональной функцией комплексного переменного:

[pic], (3.23)

где [pic];

[pic] – нормированная частота;

[pic] – текущая круговая частота;

[pic] – центральная круговая частота полосового усилителя;

[pic];

[pic]– коэффициент усиления транзистора [pic] по мощности в режиме

двустороннего согласования на частоте [pic]=1;

[pic] (3.24)

[pic] (3.25)

[pic] – нормированные относительно [pic] и [pic] значения элементов

[pic].

По известным значениям [pic], переходя от схемы рис. 3.21 к схеме рис.

3.20, найдём:

[pic] (3.26)

где [pic];

[pic] – нормированное относительно [pic] и [pic] значение [pic].

Из (3.23) следует, что коэффициент усиления каскада на частоте [pic]=1

равен:

[pic] (3.27)

В качестве прототипа передаточной характеристики (3.23) выберем

функцию:

[pic]. (3.28)

Квадрат модуля функции-прототипа (3.28) имеет вид:

[pic]. (3.29)

Для нахождения коэффициентов [pic] составим систему линейных

неравенств (3.5):

[pic] (3.30)

Решая (3.30) для различных [pic] и [pic], при условии максимизации

функции цели: [pic], найдем коэффициенты [pic], соответствующие различным

полосам пропускания полосового усилительного каскада. Вычисляя полиномы

Гурвица знаменателя функции (3.29), определим коэффициенты функции-

прототипа (3.28).

Значения коэффициентов функции-прототипа (3.28), соответствующие

различным величинам относительной полосы пропускания определяемой

отношением [pic], где [pic] – верхняя и нижняя граничные частоты полосового

усилителя, для неравномерности АЧХ ± 0,5 дБ, приведены в таблице 3.6.

Таблица 3.6 – Нормированные значения элементов КЦ

| |[pic] |[pic] |[pic] |[pic] |[pic] |

|[pic]1.3 |0.00074 |0.2215 |5.061 |100.2 |0.00904 |

|[pic]=0.29994|0.0006 |0.2509 |4.419 |76.29 |0.01200 |

| |0.0005 |0.2626 |4.216 |69.26 |0.01325 |

|[pic]=2.0906 |0.0004 |0.2721 |4.068 |64.22 |0.01429 |

|[pic]=0.29406|0.0003 |0.2801 |3.951 |60.27 |0.01523 |

| |0.0002 |0.2872 |3.855 |57.04 |0.01609 |

|[pic]=1.0163 |0.0001 |0.2935 |3.773 |54.31 |0.01689 |

| |0.0 |0.2999 |3.702 |51.96 |0.01764 |

|[pic]1.4 |0.0021 |0.3311 |3.674 |39.44 |0.02158 |

|[pic]=0.42168|0.0015 |0.3728 |3.231 |29.34 |0.02931 |

| |0.001 |0.3926 |3.066 |25.96 |0.03313 |

|[pic]=2.1772 |0.0007 |0.4024 |2.994 |24.49 |0.03500 |

|[pic]=0.40887|0.0005 |0.4084 |2.951 |23.66 |0.03631 |

| |0.0003 |0.4139 |2.914 |22.91 |0.03746 |

|[pic]=1.0356 |0.0002 |0.4166 |2.896 |22.57 |0.03803 |

| |0.0 |0.4217 |2.864 |21.93 |0.03911 |

|[pic]1.6 |0.0045 |0.4476 |3.002 |21.54 |0.03620 |

|[pic]=0.55803|0.004 |0.4757 |2.799 |17.78 |0.04424 |

| |0.003 |0.5049 |2.630 |15.07 |0.05235 |

|[pic]=2.2812 |0.002 |0.5259 |2.527 |13.54 |0.05822 |

|[pic]=0.52781|0.0015 |0.5349 |2.487 |12.96 |0.06075 |

| |0.001 |0.5431 |2.452 |12.46 |0.06313 |

|[pic]=1.0474 |0.0007 |0.5478 |2.433 |12.19 |0.06448 |

| |0.0 |0.5580 |2.392 |11.63 |0.06747 |

|[pic]1.8 |0.0091 |0.6180 |2.526 |12.93 |0.0540 |

|[pic]=0.75946|0.009 |0.6251 |2.495 |12.43 |0.0560 |

| |0.008 |0.6621 |2.335 |9.831 |0.0711 |

|[pic]=2.4777 |0.007 |0.6810 |2.267 |8.914 |0.0791 |

|[pic]=0.69615|0.005 |0.7092 |2.180 |7.858 |0.0892 |

| |0.002 |0.7411 |2.096 |6.886 |0.1013 |

|[pic]=1.0844 |0.001 |0.7514 |2.075 |6.646 |0.1050 |

| |0.0 |0.7595 |2.055 |6.431 |0.1080 |

|[pic]2 |0.0144 |0.831 |2.189 |8.543 |0.073 |

|[pic]=0.98632|0.014 |0.850 |2.133 |7.586 |0.082 |

| |0.012 |0.888 |2.039 |6.182 |0.101 |

|[pic]=2.7276 |0.01 |0.911 |1.991 |5.578 |0.112 |

|[pic]=0.87132|0.007 |0.938 |1.942 |5.010 |0.124 |

| |0.005 |0.953 |1.917 |4.736 |0.131 |

|[pic]=1.13 |0.001 |0.980 |1.878 |4.319 |0.142 |

| |0.0 |0.986 |1.869 |4.233 |0.145 |

Продолжение таблицы 3.6

| |[pic] |[pic] |[pic] |[pic] |[pic] |

|[pic]2.5 |0.0236 |1.262 |1.842 |5.423 |0.097 |

|[pic]=1.4344 |0.022 |1.299 |1.793 |4.367 |0.121 |

|[pic]=3.2445 |0.02 |1.320 |1.770 |3.932 |0.133 |

|[pic]=1.1839 |0.015 |1.358 |1.736 |3.379 |0.153 |

|[pic]=1.2206 |0.01 |1.387 |1.714 |3.058 |0.168 |

| |0.005 |1.412 |1.699 |2.829 |0.181 |

| |0.001 |1.430 |1.689 |2.685 |0.188 |

| |0.0 |1.434 |1.686 |2.652 |0.190 |

|[pic]3 |0.032 |1.827 |1.628 |4.027 |0.112 |

|[pic]=2.0083 |0.03 |1.864 |1.609 |3.213 |0.139 |

|[pic]=3.9376 |0.025 |1.900 |1.595 |2.717 |0.163 |

|[pic]=1.5378 |0.02 |1.927 |1.589 |2.458 |0.178 |

|[pic]=1.3387 |0.015 |1.950 |1.584 |2.280 |0.190 |

| |0.01 |1.971 |1.582 |2.143 |0.200 |

| |0.005 |1.990 |1.580 |2.032 |0.209 |

| |0.0 |2.008 |1.579 |1.939 |0.218 |

|[pic]4 |0.0414 |2.787 |1.455 |3.137 |0.124 |

|[pic]=2.9770 |0.04 |2.812 |1.456 |2.661 |0.144 |

|[pic]=5.1519 |0.035 |2.848 |1.460 |2.229 |0.170 |

|[pic]=2.1074 |0.03 |2.872 |1.464 |2.010 |0.185 |

|[pic]=1.573 |0.02 |2.912 |1.474 |1.772 |0.207 |

| |0.01 |2.946 |1.483 |1.611 |0.223 |

| |0.005 |2.962 |1.488 |1.548 |0.231 |

| |0.0 |2.977 |1.492 |1.493 |0.237 |

|[pic]5 |0.0479 |3.936 |1.353 |2.716 |0.130 |

|[pic]=4.131 |0.045 |3.972 |1.366 |2.162 |0.160 |

|[pic]=6.6221 |0.04 |4.000 |1.377 |1.898 |0.180 |

|[pic]=2.7706 |0.03 |4.040 |1.395 |1.635 |0.204 |

|[pic]=1.8775 |0.02 |4.073 |1.411 |1.478 |0.221 |

| |0.01 |4.103 |1.426 |1.366 |0.235 |

| |0.005 |4.128 |1.439 |1.287 |0.245 |

| |0.0 |4.131 |1.440 |1.279 |0.247 |

|[pic]6 |0.050 |4.604 |1.315 |2.413 |0.139 |

|[pic]=4.79 |0.048 |4.625 |1.325 |2.105 |0.157 |

|[pic]=7.4286 |0.045 |4.644 |1.334 |1.914 |0.171 |

|[pic]=3.109 |0.04 |4.667 |1.346 |1.730 |0.186 |

|[pic]=2.0246 |0.03 |4.704 |1.366 |1.518 |0.208 |

| |0.02 |4.735 |1.382 |1.401 |0.223 |

| |0.01 |4.763 |1.399 |1.284 |0.237 |

| |0.0 |4.790 |1.415 |1.206 |0.248 |

В таблице представлены также результаты вычислений нормированных

значений элементов [pic], полученные из решения системы неравенств (3.3) и

соответствующие различным значениям [pic].

Анализ полученных результатов позволяет установить следующее. Для

заданной относительной полосы пропускания существует определенное значение

[pic], при превышении которого реализация каскада с требуемой формой АЧХ

становится невозможной. Это обусловлено уменьшением добротности

рассматриваемой цепи с увеличением [pic].

Рассматриваемая КЦ (рис. 3.16) может быть использована и в качестве

входной КЦ. В этом случае при расчетах следует полагать [pic], [pic].

Пример 3.5. Рассчитать КЦ однокаскадного транзисторного усилителя,

являющегося одним из восьми канальных усилителей выходного усилителя

мощности 500 Вт передатчика FM диапазона, при условиях: [pic]75 Ом;

[pic]=10 пФ; диапазон частот 88-108 МГц; в качестве усилительного элемента

использовать транзистор КТ970А.

Принципиальная схема каскада приведена на рис. 3.22. Элементы [pic]

11 нГн, [pic]240 пФ, [pic]56 нГн, [pic]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: [pic]0,053 Ом; [pic]0,9 нГн; [pic]= 113, где [pic] сопротивление

базы транзистора; [pic] индуктивности выводов базы и эмиттера транзистора.

[pic][pic]

Рис. 3.22 Рис. 3.23

Для заданного диапазона частот имеем: [pic]= 6,15(108; [pic]= 1,23;

[pic] Нормированные относительно [pic] и [pic] значения элементов [pic]

равны: [pic]7,06(10-4; [pic] 7,38(10-3; [pic] [pic] 0,46. Используя

табличные значения [pic], для [pic]= 1,3, в соответствии с (3.3) из (3.25)

получим: [pic]=5,4(10-4. Ближайшее табличное значение [pic]= 5(10-4, для

которого: [pic]0,2626; [pic]4,216; [pic]69,26; [pic] 0,01325. По

соотношениям (3.26) определим: [pic]0,2626; [pic]3,756; [pic] 54,56; [pic]

0,0093. Осуществляя денормирование элементов КЦ, имеем: [pic]32 нГн;

[pic]81,4 пФ; [pic]1183 пФ; [pic]

1,1 нГн. По соотношению (3.27) найдем коэффициент усиления каскада:

[pic]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 [pic] и [pic]

[pic]- и [pic]- цепями перейдем к схеме, приведенной на рис. 3.24.

[pic]

Рис. 3.24

Коэффициент прямой передачи последовательного соединения КЦ и

транзистора [pic] может быть описан в символьном виде дробно-рациональной

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5