Расчет частотно-разделительных цепей многоканальных импульсных усилителей

   В статье рассмотрены различные варианты построения двухканальных импульсных усилителей с использованием частотно-разделительных цепей (ЧРЦ), предложена схема многоканального усилителя, позволяющая полностью исключить искажения обусловленные разделением спектра усиливаемого сигнала, получены соотношения для расчета значении элементов частотно-разделительных цепей предлагаемого усилителя, приведены результаты эксперимента

---

   Создание современных радиотехнических систем и устройств в ряде случаев связано с необходимостью применения в них усилителей импульсных сигналов с полосой рабочих частот от нуля либо единиц герц до десятков гигагерц. Реализация таких усилителей на основе одноканальных структур часто оказывается невозможной. Например, использование больших значений емкостей разделительных конденсаторов и индуктивностей дросселей питания для уменьшения нижней граничной частоты приводит к появлению некорректируемых паразитных резонансов в области сверхвысоких частот. Для устранения указанного недостатка в [1] предложено осуществлять построение сверхширокополосных импульсных усилителей на основе двухканальных структур с использованием ЧРЦ, успешно применяемых при реализации усилителей периодических сигналов [2-6].

   Согласно [1] построение двухканального импульсного усилителя, в котором полностью отсутствуют искажения из-за разделения спектра усиливаемого сигнала, возможно при использовании ЧРЦ 1 -го порядка, стоящих на входе либо на выходе усилителя. Схема такого устройства приведена на рис. 1, где Σ - делитель мощности, УВЧ и УНЧ - усилители высоких и низких частот: С₁, L₁, - элементы ЧРЦ 1-го порядка.

Рис. 1

   Действительно, полагая УВЧ и УНЧ идеальными, нормированную передаточную характеристику рассматриваемого усилителя можно записать в виде:

где а₁=2С_1Н; а₂=L_1НС_1Н; b₁=1,5C_1Н+0,5L_1Н; b₂=L_1НC_1Н; C_1Н=С₁R_Н2πf_СТ, L_1Н=L₁2πf_СТ/R₁—нормированные относительно R₁ и f_СТ значения элементов С₁, L₁, R_H - сопротивление нагрузки, f_СТ—частота стыковки канальных усилителей [2];

   p=iΩ, где Ω=ω/(2πf_СТ)—нормированная частота; ω—текущая частота.

   Учитывая, что C₁L₁=1/(2πf_СТ)²[2], из уравнений:

   a₁=b₁; L_1НС_1Н=1

   получим условие отсутствия искажений амплитудно-частотной (АЧХ) и переходной (ПХ) характеристик усилителя:

L1Н=1; C1Н=1.

(1)

   Для реализации схемы на рис. 1 необходимо использовать сверхширокополосный делитель мощности с развязанными выходами. Поэтому в [1] предложено заменить делитель мощности на ЧРЦ 1-го порядка с частотой стыковки, в N раз меньшей частоты стыковки выходной ЧРЦ (рис. 2).

Рис. 2

   При этом элементы выходной ЧРЦ выбираются из условия (1), а элементы входной ЧРЦ берутся равными: С_2Н=NC_1Н; L_2Н=NL_1Н; R₁=R_г; R₂>>R_г, где R_г— сопротивление генератора, С_2Н, L_2Н— нормированные относительно R_г и f_СТ значения С₂, L₂.

   В этом случае нормированная передаточная характеристика усилителя (рис. 2)

(2)

   где а₁=N; a₂=N; b₁=1+N; b₂=N.

   Из условий работы схемы следует, что верхняя граничная частота УНЧ f_ВУНЧ - больше или равна частоте стыковки выходной ЧРЦ, а нижняя граничная частота УВЧ f_НУВЧ должна бытьменьше или равна частоте стыковки входной ЧРЦ, т.е f_ВУНЧ и f_НУВЧ связаны соотношением:f_ВУНЧ/f_НУВЧ≥N.

   В соответствии с (2) полное отсутствие искажений АЧХ и ПХ возможно при N , стремящемся к бесконечности. В [1] предложено выбирать N =9. Как показывает анализ, в этом случае неравномерность АЧХ, обусловленная использованием ЧРЦ, равна 1 дБ, а отрицательный выброс ПХ составляет 8 %.

   Цель работы- исследование возможности минимизации взаимного перекрытия рабочих частот канальных усилителей двухканального импульсного усилителя с ЧРЦ при одновременном исключении искажений АЧХ и ПХ из-за разделения спектра усиливаемого сигнала.

   В рамках схемного решения, приведенного на рис. 2, взаимное перекрытие рабочих частот канальных усилителей может быть уменьшено при выборе С_1Н, С_2Н и R₁, из условий: С_1Н=С_2Н=1; R₁=R_г. В этом случае нормированная передаточная характеристика усилителя может быть представлена в виде:

   где a₁=2+L_2Н; a₂=2(1+L_2H); a₃=L_1H+2L_2H; a₄=L_1HL_2H; b₁=3+(L_1H+L_2H)/2; b₂=L_1H+L_2H+(L_1H+3)(L_2H+3)/4; b₃=(L_1H+3)L_2H/2+(L_2H+3)L_1H/2; b₄=L_1HL_2H.

   Отсутствие искажений АЧХ и ПХ возможно при выполнении условий:

a1=b1; a2=b2; a3=b3.

(3)

   Однако система уравнений (3) не имеет решения. Поэтому целесообразно найти условия, при которых искажения минимальны. Эти условия соответствуют выбору L_1H и L_2H из решенияпервого и третьего уравнений (3):

L1H=0,4142; L2H=2,4142.

(4)

   Расчет элементов L_1H и L_2H по (4) соответствует величине необходимого взаимного перекрытия рабочих частот канальных усилителей:

   f_ВУНЧ/f_НУВЧ=1/L_1H=2,4142.

   Анализ рассматриваемого усилителя с выбором L_1H и L_2H из (4) показывает, что неравномерность АЧХ, обусловленная использованием ЧРЦ, равна 1 дБ, отрицательный выброс ПХ составляет 6 %, положительный 2 % .

   Полное устранение искажений АЧХ и ПХ из-за применения ЧРЦ при одновременном уменьшении взаимного перекрытия рабочих частот канальных усилителей до величины f_ВУНЧ/f_НУВЧ=1 возможно в схеме многоканального усилителя (рис. 3).

Рис. 3

   Для минимизации взаимного перекрытия рабочих частот УВЧ и УНЧ выберем нормированные значения С₁, L₁, C₂ из условий:

C1H=C2H=1; L1H=1.

(5)

   В этом случае нормированная передаточная характеристика усилителя

   где
a₁=2+L_2H/R_1H;
a₂=1+L_2HC_3H+2L_2H/R_1H+(1+2R_1H)/(1+R_1H);
a₃=2L_2HC_3H+L_2H/R_1H+(1+L_2H/R_1H)(1+2R_1H)/(1+R_1H);
a₄=L_2HC_3H+L_2H(C_3H+1/R_1H)(1+2R_1H)/(1+R_1H);
a₅=L_2HC_3H(1+2R_1H)/(1+R_1H);
b₁=2+(1+L_2H+2R_1H)/(1+R_1H);
b₂=1+2(1+L_2H+2R_1H)/(1+R_1H)+L_2H(2+C_3H+C_3HR_1H)/(1+R_1H);
b₃=L_2HC_3H(1+2R_1H)/(1+R_1H)+2L_2H(2+C_3H+C_3HR_1H)/(1+R_1H)+(1+L_2H+2R_1H)/(1+R_1H);
b₄=2L_2HC_3H(1+2R_1H)/(1+R_1H)+L_2H(2+C_3H+C_3HR_1H)/(1+R_1H);
b₅=L_2HC_3H(1+2R_1H)/(1+R_1H).

   Полное отсутствие искажений АЧХ и ПХ соответствует выполнению условий:

a1=b1; a2=b2; a3=b3; a4=b4.

(6)

   Несмотря на то, что в системе четырех уравнений (6) имеется только три варьируемых параметра, она имеет единственное решение:

L2H=1; C3H=1; R1H=0,5.

(7)

   В соответствии с этим выбор нормированных значений элементов C₁, C₂, C₃, L₁, L₂, R₁ из условий (5), (7) позволяет полностью устранить искажения АЧХ и ПХ, обусловленные использованием ЧРЦ, и обеспечить взаимное перекрытие частот УВЧ и УНЧ равным единице.

   Схемное решение (рис. 3) может быть распространено и на случай многоканальной схемы построения импульсного усилителя (рис. 4). где ПУ - полосовой усилитель.

   Для трехканального варианта импульсного усилителя АЧХ канальных усилителей приведены на рис. 5, где АЧХ 1 - УВЧ; 2 - ПУ, 3 - УНЧ.

Рис. 4

Рис. 5

   При заданных R₁, R_H, f_НУВЧ, f_ВУНЧ, с учетом методики расчета полосовых фильтров [7] и соотношений (5) и (7), элементы схемы на рис. 4 рассчитываются по формулам:

C1=1/(RH2πfНУВЧ); C2=C3=1/(Rг2πfНУВЧ); C4=(fНУВЧ-fВУНЧ)/(RH2πfНУВЧfВУНЧ); L1=RH/(2πfВУНЧ); L2=Rг/(2πfHУВЧ); L3=RH/(2π(fНУВЧ-fВУНЧ)); R1=0,5Rг; R2, R3>>Rг.

(8)

   В случае двухканального варианта импульсного усилителя (см. рис. 3) f_НУВЧ=f_ВУНЧ и истинные значения элементов С₁, С₂, С₃, L₁, L₂, R₁, R₂ также могут быть
рассчитаны по (8).

   Для экспериментальной проверки теоретических исследований разработан двухканальный импульсный усилитель на транзисторах КТ399А и КТ315А, реализованный по схеме, приведенной на рис. 3. Принципиальная схема макета усилителя дана на рис. 6.

   Высокочастотный и низкочастотный канальные усилители выполнены с использованием схемных решений построения широкополосных усилительных каскадов, описанных в [8, 9]. Двухканальный усилитель имеет следующие характеристики: нижняя граничная частота 200 Гц, верхняя - 850 МГц; коэффициент усиления 6 дБ; частота стыковки канальных усилителей 40 МГц; время установления фронта импульса 0,5 нс; выброс переднего фронта импульса 7 %; выброс, обусловленный использованием ЧРЦ, 3 %; сопротивление генератора и нагрузки 50 Ом. Несовпадение значений элементов схемы макета усилителя со значениями элементов, получаемыми в соответствии с (7), вызвано необходимостью компенсации влияния реальных параметров канальных усилителей на работу схемы.

Рис. 6

   Предлагаемое схемное решение построения многоканальных импульсных усилителей с ЧРЦ и методика расчета этих ЧРЦ позволяют минимизировать взаимное перекрытие рабочих частот канальных усилителей и исключить искажения АЧХ и ПХ, обусловленные разделением спектра усиливаемого сигнала.

   Литература

1. Ильюшенко В.Н., Титов АЛ. Многоканальные импульсные устройства с частотным разделением каналов. - Радиотехника, 1991, № 1.
2. Алексеев О.В., Грошев Г.А., Чавка Г.Г. Многоканальные частотно-разделительные устройства и их применение. -М.: Радио и связь, 1981.
3. Луганина Н.М. Исследование частотно-разделительного устройства для сверхширокополосных усилителей. - Изв. вузов. Сер. Радиоэлектроника, 1985, № 3.
4. Михайлов B.C. Исследование амллитудно-частотных характеристик Мультиплексерных усилителей с непрерывной полосой частот. — Изв. вузов. Сер. Радиоэлектроника, 1981, № 8.
5. А.с. № 1224962. Многоканальный усилитель/ Лондон С.Е. Томашевич С. В.
6. Титов А.А. Мощный широкополосный усилитель постоянного тока. - Приборы и техника эксперимента, 1989, № 3.
7. Зааль Р. Справочник по расчету фильтров.: Пер. с нем. -М.: Радио и связь. 1983.
8. Титов А.А. Расчет диссипативной межкаскадной корректирующей цепи широкополосного усилителя мощности. -Радиотехника, 1989, № 1.
9. Титов А.А. Упрощенный расчет широкополосного усилителя. - Радиотехника, 1979, № 6.

Автор: А.А. Титов