РАСЧЕТ ЭЛЕМЕНТОВ ВЫСОКОЧАСТОТНОЙ КОРРЕКЦИИ УСИЛИТЕЛЬНЫХ КАСКАДОВ НА БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРАХ

ВВЕДЕНИЕ

 

Расчет элементов высокочастотной коррекции является неотъемлемой частью процесса проектирования усилительных устройств, как одного из классов аналоговых электронных устройств. В известной учебной и научной литературе материал, посвященный этой проблеме, не всегда представлен в удобном для проектирования виде. К тому же в теории усилителей нет достаточно обоснованных доказательств преимущества использования того либо иного схемного решения при разработке конкретного усилительного устройства. В этой связи проектирование широкополосных усилителей во многом основано на интуиции и опыте разработчика. При этом, разные разработчики, чаще всего, по-разному решают поставленные перед ними задачи, достигая требуемых результатов. В этой связи в данном пособии собраны наиболее известные и эффективные схемные решения построения широкополосных усилительных устройств на биполярных транзисторах, а соотношения для расчета коэффициента усиления, полосы пропускания и значений элементов высокочастотной коррекции даны без выводов. Ссылки на литературу позволяют найти, при необходимости, доказательства справедливости приведенных соотношений. Поскольку, как правило, широкополосные усилители работают в стандартном 50 либо 75-омном тракте, соотношения для расчета даны исходя из условий, что оконечные каскады усилителей работают на чисто резистивную нагрузку, а входные каскады усилителей работают от чисто резистивного сопротивления генератора.

1. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ РАСЧЕТА

 

В соответствии с [1, 2, 3], приведенные ниже соотношения для расчета усилительных каскадов основаны на использовании эквивалентной схемы замещения транзистора, приведенной на рис. 1.1, либо на использовании его однонаправленной модели, приведенной на рис. 1.2.



Рис. 1.1. Эквивалентная схема Джиаколетто



Рис. 1.2. Однонаправленная модель

Значения элементов схемы Джиаколетто могут быть рассчитаны по паспортным данным транзистора по следующим формулам [1]:

;

;

;

;

;

;

,

где    - емкость коллекторного перехода;

           - постоянная времени цепи обратной связи;

 - статический коэффициент передачи тока в схеме с общим эмиттером;

 - граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером;

 - ток эмиттера в рабочей точке в миллиамперах;

=3 - для планарных кремниевых транзисторов;

=4 - для остальных транзисторов.

В справочной литературе значения  и  часто приводятся измеренными при различных значениях напряжения коллектор-эмиттер . Поэтому при расчетах  значение  следует пересчитать по формуле [1]

,

где    - напряжение , при котором производилось измерение ;

 - напряжение , при котором производилось измерение .

Поскольку  и  оказываются много меньше проводимости нагрузки усилительных каскадов, в расчетах они обычно не учитываются.

Значения элементов схемы замещения, приведенной на рис. 1.2, могут быть рассчитаны по следующим формулам [3, 4]:

;

;

;

,

где    ,  - индуктивности выводов базы и эмиттера;

 - максимально допустимое постоянное напряжение коллектор-эмиттер;



;                                                                         (2.4)

.



                            а)                                                               б)

Рис. 2.1 При заданном уровне частотных искажений , верхняя граничная частота  полосы пропускания каскада равна:

=.                                             (2.5)

Входное сопротивление каскада может быть аппроксимировано параллельной RC цепью [1]:

;                                  (2.6)

.                                   (2.7)

Пример 2.1. Рассчитать , , ,  каскада, приведенного на рис. 2.1, при использовании транзистора КТ610А [6](= 5 Ом, = 1 Ом, = 0,0083 Сим, = 4 пФ, =160 пФ, = 1 ГГц, =120, =0,95 А/В, = 0,99, = 55 мА), и условий: = 50 Ом; = 0,9; = 10.

Решение. При известных  и , в соответствии с (2.1), имеем: = 10,5 Ом. Зная , находим: = 13,3 Ом. По формуле (2.2) определим: = 1,03×10-9с. Подставляя известные  и  в соотношение (2.5) получим: = 74,9 МГц. По формулам (2.6) и (2.7) определим = 196 пФ, = 126 Ом.

2.2. ПРОМЕЖУТОЧНЫЙ КАСКАД

Принципиальная схема каскада приведена на рис. 2.2,а, эквивалентная схема по переменному току - на рис. 2.2,б.



                                      а)                                                               б)

Рис. 2.2 В соответствии с [1] коэффициент усиления каскада в области верхних частот описывается выражением:

,

где    ;                                                                                       (2.8)



;                                                   (2.9)

;                                                    (2.10)

 – входное сопротивление и входная емкость нагружающего каскада.

Значения , входное сопротивление и входная емкость каскада рассчитываются по формулам (2.5), (2.6), (2.7).

Пример 2.2. Рассчитать , , ,  каскада, приведенного на рис. 2.2, при использовании транзистора КТ610А (данные транзистора приведены в примере 2.1) и условий: = 0,9; = 10; ,  нагружающего каскада - из примера 2.1.

Решение. По известным  и  из (2.8) получим: = 10.5 Ом. Зная  из (2.10) найдем: = 11,5 Ом. По формуле (2.9) определим: = 3×10-9 с. Подставляя известные ,  в соотношение (2.5) получим = 25,5 МГц. По формулам (2.6) и (2.7) определим = 126 Ом, = 196 пФ.

3. РАСЧЕТ КАСКАДА С ВЫСОКОЧАСТОТНОЙ ИНДУКТИВНОЙ КОРРЕКЦИЕЙ

3.1. ОКОНЕЧНЫЙ КАСКАД

Принципиальная схема каскада с высокочастотной индуктивной коррекцией приведена на рис. 3.1,а, эквивалентная схема по переменному току - на рис. 3.1,б.



                                      а)                                                      б)

Рис. 3.1 При отсутствии реактивности нагрузки высокочастотная индуктивная коррекция вводится для коррекции искажений АЧХ вносимых транзистором. Корректирующий эффект в схеме достигается за счет возрастания сопротивления коллекторной цепи с ростом частоты усиливаемого сигнала и компенсации, благодаря этому, шунтирующего действия выходной емкости транзистора.

В соответствии с [1] коэффициент усиления каскада в области верхних частот, при оптимальном значении равном:



,                                                         (3.1)

описывается выражением:

,

где    ;                                                                                       (3.2)

         ;                                                                      (3.3)

         ;                                                                               (3.4)

;                                                                      (3.5)

 и рассчитываются по (2.3) и (2.4).

При заданном значении ,  каскада равна:

=.                                                  (3.6)

Значения ,  каскада рассчитываются по формулам (2.6), (2.7).

Пример 3.1. Рассчитать , , , ,  каскада с ВЧ индуктивной коррекцией, схема которого приведена на рисунке 3.1, при использовании транзистора КТ610А (данные транзистора приведены в примере 2.1) и условий = 50 Ом; = 0,9; = 10.

Решение. По известным  и  из (3.2) получим = 10,5 Ом. Зная  из (3.3) найдем = 13,3 Ом. Рассчитывая  по (3.5) и подставляя в (3.1) получим = 13,7×10-9 Гн. Определяя tк по (3.4) и подставляя в (3.6) определим = 350 МГц. По формулам (2.6), (2.7) найдем = 196 пФ, = 126 Ом.

3.2. ПРОМЕЖУТОЧНЫЙ КАСКАД

Принципиальная схема промежуточного каскада с высокочастотной индуктивной коррекцией приведена на рис. 3.2,а, эквивалентная схема по переменному току - на рис. 3.2,б.



                                      а)                                                               б)

Рис. 3.2 В соответствии с [1] коэффициент усиления каскада в области верхних частот, при оптимальном значении  равном:



,                                                         (3.7)

определяется выражением:

,

где    ;                                                                                       (3.8)

         ;                                                       (3.9)

         ;                                                                            (3.10)

;                                                 (3.11)

 – входное сопротивление и емкость нагружающего каскада;

 и  рассчитываются по (2.3) и (2.4).

Значения , ,  каскада рассчитываются по формулам (3.6), (2.6), (2.7).

Пример 3.2. Рассчитать , , , ,  каскада с ВЧ индуктивной коррекцией, схема которого приведена на рис. 3.2, при использовании транзистора КТ610А (данные транзистора приведены в примере 2.1) и условий: = 0,9; = 10; ,  нагружающего каскада - из примера 2.1.

Решение. По известным  и  из (3.8) получим = 10,5 Ом. Зная  из (3.9) найдем = 11,5 Ом. Рассчитывая  по (3.11) и подставляя в (3.7) получим = 34,7×10-9 Гн. Определяя  по (3.10) и подставляя в (3.6) определим = 308 МГц. По формулам (2.6), (2.7) найдем = 196 пФ, = 126 Ом.

4. РАСЧЕТ КАСКАДА С ЭМИТТЕРНОЙ КОРРЕКЦИЕЙ  

4.1. ОКОНЕЧНЫЙ КАСКАД

Принципиальная схема каскада с эмиттерной коррекцией приведена на рис. 4.1,а, эквивалентная схема по переменному току - на рисунке 4.1,б, где  - элементы коррекции. При отсутствии реактивности нагрузки эмиттерная коррекция вводится для коррекции искажений АЧХ вносимых транзистором, увеличивая амплитуду сигнала на переходе база-эмиттер с ростом частоты усиливаемого сигнала.





                            а)                                                      б)

Рис. 4.1

В соответствии с [1], коэффициент передачи каскада в области верхних частот, при выборе элементов коррекции  и  соответствующими оптимальной по Брауде форме АЧХ, описывается выражением:

,                                    (4.1)

где    ;

          - нормированная частота;

         ;

         ;

         ;                                                                                             (4.2)

         ;                                                                      (4.3)

          - глубина ООС;                                                                  (4.4)

         ;                                                                                    (4.5)

         ;                                                                                     (4.6)

         .                                                                      (4.7)

При заданном значении , значение  определяется выражением:

.                                    (4.8)

Подставляя известные  и  в (4.1) найдем:

,                    (4.9)

где    .

Входное сопротивление каскада с эмиттерной коррекцией может быть аппроксимировано параллельной RC-цепью [1]:

;                           (4.10)

.                               (4.11)

Пример 4.1. Рассчитать , , , ,  каскада с эмиттерной коррекцией, схема которого приведена на рисунке 4.1, при использовании транзистора КТ610А (данные транзистора приведены в примере 2.1) и условий: = 0,9; = 10; = 100 Ом.



Решение. По известным , ,  и  из (4.2), (4.3) получим: = 4,75. Подставляя  в (4.4) и (4.8) найдем = 4 Ом; = 1,03. Рассчитывая  по (4.7) и подставляя в (4.5), (4.6) получим: = 50,5 пФ. По известным , , ,  и  из (4.9) определим: = 407 МГц. По формулам (4.10), (4.11) найдем = 71 пФ, = 600 Ом.

4.2. ПРОМЕЖУТОЧНЫЙ КАСКАД

Принципиальная схема промежуточного каскада с эмиттерной коррекцией приведена на рис. 4.2,а, эквивалентная схема по переменному току - на рис. 4.2,б.



                                     а)                                                      б)

Рис. 4.2

В соответствии с [1], коэффициент передачи каскада в области верхних частот, при выборе элементов коррекции  и  соответствующими оптимальной по Брауде форме АЧХ, описывается выражением:

,                                    (4.12)

где    ;

          - нормированная частота;

         ;

         ;

         ;                                                                                           (4.13)

         ;                                                     (4.14)

          - глубина ООС;                                                                (4.15)

         ;                                                                                  (4.16)

         ;                                                                                   (4.17)

         ;                                                 (4.18)

;                                                                          (4.19)



 – входное сопротивление и емкость нагружающего каскада;

 и  рассчитываются по (2.3) и (2.4).

При заданном значении , значение  определяется выражением:

,                 (4.20)

Подставляя известные  и  в (4.12) найдем:

,                    (4.21)

где    .

Входное сопротивление и входная емкость каскада рассчитываются по соотношениям (4.10) и (4.11).

Пример 4.2. Рассчитать , , , ,  промежуточного каскада с эмиттерной коррекцией, схема которого приведена на рис. 4.2, при использовании транзистора КТ610А (данные транзистора приведены в примере 2.1) и условий: = 0,9; =10; ,  нагружающего каскада - из примера 4.1; .

Решение. По известным ,  и  из (4.13) получим: = 28,5. Подставляя  в (4.15) найдем: = 29 Ом. Рассчитывая по формуле (4.19) значение n и подставляя его в (4.20) определим: = 0,76. Зная , по (4.16) и (4.17) рассчитаем: = 201 пФ. По известным , , ,  и  из (4.21) найдем: = 284 МГц. По формулам (4.10), (4.11) определим: = 44 пФ; =3590 Ом.

5. КОРРЕКЦИЯ ИСКАЖЕНИЙ ВНОСИМЫХ ВХОДНОЙ ЦЕПЬЮ 5.1. РАСЧЕТ ИСКАЖЕНИЙ ВНОСИМЫХ ВХОДНОЙ ЦЕПЬЮ

Принципиальная схема входной цепи каскада приведена на рис. 5.1,а, эквивалентная схема по переменному току - на рис. 5.1,б.



                                      а)                                                               б)

Рис. 5.1

При условии аппроксимации входного сопротивления каскада параллельной RC-цепью, коэффициент передачи входной цепи в области верхних частот описывается выражением [1]:

,

где    ;                                                                           (5.1)



         ;                                                                                       (5.2)

         ;

          – входное сопротивление и входная емкость каскада.

Значение   входной цепи рассчитывается по формуле (2.5), где вместо  подставляется величина .

Пример 5.1. Рассчитать  и  входной цепи, схема которой приведена на рис. 5.1, при использовании транзистора КТ610А (данные транзистора приведены в примере 2.1) и условий: = 50 Ом и = 0,9.

Решение. Из примера 2.1 имеем: = 126 Ом, = 196 пФ. Зная  и  из (5.1) получим: = 0,716. По (5.2) найдем: = 7×10-9 с. Подставляя известные  и  в (2.5) определим: = 11 МГц.

5.2. РАСЧЕТ ВХОДНОЙ КОРРЕКТИРУЮЩЕЙ ЦЕПИ

Из приведенных выше примеров расчета видно, что наибольшие искажения АЧХ обусловлены входной цепью. Для расширения полосы пропускания входных цепей в [7] предложено использовать схему, приведенную на рис. 5.2.



                                      а)                                                               б)

Рис. 5.2

Работа схемы основана на увеличении сопротивления цепи  с ростом частоты усиливаемого сигнала и компенсации, благодаря этому, шунтирующего действия входной емкости каскада. Коэффициент передачи входной цепи в области верхних частот можно описать выражением [1]:

,

где    ;                                                                                              (5.3)

         ;

         ;

         ;

                                                                                                    (5.4)



         ;                                                                        (6.18)

         ;

         , = - нормированные относительно  и  значения элементов  и .

При заданных значениях , , , соответствующих требуемой форме АЧХ каскада, нормированные значения , ,  рассчитываются по формулам [12]:

                             (6.19)

где    ;

;

;

;

;

;

;

,

,

=.

В теории фильтров известны табулированные значения коэффициентов , , , соответствующие заданной неравномерности АЧХ цепи описываемой функцией вида (6.17) [13], которые приведены в таблице 7.2.

Таблица 7.2 – Коэффициенты передаточной функции фильтра Чебышева

Неравномерность АЧХ, дБ
0,1	1,605	1,184	0,611
0,2	1,805	1,415	0,868
0,3	1,940	1,56	1,069
0,4	2,05	1,67	1,24
0,5	2,14	1,75	1,40
0,6	2,23	1,82	1,54
0,7	2,31	1,88	1,67
0,8	2,38	1,93	1,80
0,9	2,45	1,97	1,92
1,0	2,52	2,012	2,035
1,2	2,65	2,08	2,26
1,4	2,77	2,13	2,46
1,6	2,89	2,18	2,67
1,8	3,01	2,22	2,87
2,0	3,13	2,26	3,06

Для выравнивания АЧХ в области частот ниже  используется резистор , рассчитываемый по формуле [11]:

.                                                   (6.20)

При работе каскада в качестве входного, в формуле (6.19) значение  принимается равным нулю.

После расчета , , , истинные значения элементов находятся из соотношений:



                                          (6.21)

Пример 7.2. Рассчитать  каскада и значения элементов , , ,  межкаскадной КЦ (рис. 7.3), при использовании транзисторов КТ610А (= 3 нГн, = 5 Ом, = 4 пФ, = 86 Ом, = 1 ГГц) и условий = 50 Ом,  = 0,9, = 260 МГц.

Решение. По таблице 7.2 для = 0,9, что соответствует неравномерности АЧХ 1 дБ, определим: = 2,52; = 2,012; = 2,035. Находя нормированные значения = 0,56, = 0,055, = 0,058 и подставляя в (6.19), получим: = 1,8; = 0,757; = 0,676. Рассчитывая  и подставляя в (6.18) найдем: = 3,2, а из (6.20) определим: = 3, 75 кОм. После денормирования элементов по (6.21) получим: = 12,8 пФ; = 5,4 пФ; = 35,6 нГн.

7.3. РАСЧЕТ КАСКАДА С ЗАДАННЫМ НАКЛОНОМ АЧХ

Проблема разработки широкополосных усилительных каскадов с заданным наклоном АЧХ связана с необходимостью компенсации наклона АЧХ источников усиливаемых сигналов; устранения частотно-зависимых потерь в кабельных системах связи; выравнивания АЧХ малошумящих усилителей, входные каскады которых реализуются без применения цепей высокочастотной коррекции. На рис. 7.5,а приведена принципиальная схема усилителя с реактивной межкаскадной КЦ четвертого порядка, позволяющей реализовать заданный наклон АЧХ усилительного каскада, эквивалентная схема по переменному току приведена на рис. 7.5,б [14].

                     а)                                                               б)

Рис. 7.5 Используя однонаправленную эквивалентную схему замещения транзистора, схему (рис. 7.5) можно представить в виде, приведенном на рис. 7.6.





Рис. 7.6

Вводя идеальный трансформатор после конденсатора , с последующим применением преобразования Нортона [3], перейдем к схеме представленной на рис. 7.7.



Рис. 7.7 В соответствии с [2, 11], коэффициент передачи последовательного соединения межкаскадной КЦ и транзистора , при условии использования выходной КЦ, равен:

              (7.9)

где    ;

          - нормированная частота

;                                         (7.10)

         ;

         ;

        

                   ;

;

;

          - нормированные относительно  и  значения элементов .

Таблица 7.3 - Нормированные значения элементов КЦ для =0,25 дБ

Наклон
+4 дБ 3.3 2 3.121 5.736 3.981 3.564	0.027 0.0267 0.0257 0.024 0.02 0.013 0.008 0,0	1.058 1.09 1.135 1.178 1.246 1.33 1.379 1.448	2.117 2.179 2.269 2.356 2.491 2.66 2.758 2.895	3.525 3.485 3.435 3.395 3.347 3.306 3.29 3.277	6.836 6.283 5.597 5.069 4.419 3.814 3.533 3.205	0.144 0.156 0.174 0.191 0.217 0.248 0.264 0.287
+2 дБ 3.2 2 3.576 6.385 4.643 3.898	0.0361 0.0357 0.0345 0.0325 0.029 0.024 0.015 0.0	1.59 1.638 1.696 1.753 1.824 1.902 2.014 2.166	3.18 3.276 3.391 3.506 3.648 3.804 4.029 4.332	3.301 3.278 3.254 3.237 3.222 3.213 3.212 3.227	5.598 5.107 4.607 4.204 3.797 3.437 3.031 2.622	0.172 0.187 0.207 0.225 0.247 0.269 0.3 0.337
+0 дБ 3.15 2 4.02 7.07 5.34 4.182	0.0493 0.049 0.047 0.045 0.04 0.03 0.017 0.0	2.425 2.482 2.595 2.661 2.781 2.958 3.141 3.346	4.851 4.964 5.19 5.322 5.563 5.916 6.282 6.692	3.137 3.13 3.122 3.121 3.125 3.143 3.175 3.221	4.597 4.287 3.753 3.504 3.134 2.726 2.412 2.144	0.205 0.219 0.247 0.263 0.29 0.327 0.36 0.393
-3 дБ 3.2 2 4.685 8.341 6.653 4.749	0.0777 0.077 0.075 0.07 0.06 0.043 0.02 0.0	4.668 4.816 4.976 5.208 5.526 5.937 6.402 6.769	9.336 9.633 9.951 10.417 11.052 11.874 12.804 13.538	3.062 3.068 3.079 3.102 3.143 3.21 3.299 3.377	3.581 3.276 2.998 2.68 2.355 2.051 1.803 1.653	0.263 0.285 0.309 0.34 0.379 0.421 0.462 0.488
-6 дБ 3.3 2 5.296 9.712 8.365 5.282	0.132 0.131 0.127 0.12 0.1 0.08 0.04 0.0	16.479 17.123 17.887 18.704 20.334 21.642 23.943 26.093	32.959 34.247 35.774 37.408 40.668 43.284 47.885 52.187	2.832 2.857 2.896 2.944 3.049 3.143 3.321 3.499	2.771 2.541 2.294 2.088 1.789 1.617 1.398 1.253	0.357 0.385 0.42 0.453 0.508 0.544 0.592 0.625

Таблица 7.4 - Нормированные значения элементов КЦ для =0,5 дБ

Наклон
+6 дБ 5.4 2 2.725 5.941 3.731 4.3	0.012 0.0119 0.0115 0.011 0.0095 0.0077 0.005 0.0	0.42 0.436 0.461 0.48 0.516 0.546 0.581 0.632	0.839 0.871 0.923 0.959 1.031 1.092 1.163 1.265	6.449 6.278 6.033 5.879 5.618 5.432 5.249 5.033	12.509 11.607 10.365 9.624 8.422 7.602 6.814 5.911	0.09 0.097 0.109 0.117 0.134 0.147 0.164 0.187
+3 дБ 4.9 2 3.404 7.013 4.805 5.077	0.0192 0.019 0.0185 0.017 0.015 0.012 0.007 0.0	0.701 0.729 0.759 0.807 0.849 0.896 0.959 1.029	1.403 1.458 1.518 1.613 1.697 1.793 1.917 2.058	5.576 5.455 5.336 5.173 5.052 4.937 4.816 4.711	8.98 8.25 7.551 6.652 6.021 5.433 4.817 4.268	0.123 0.134 0.146 0.165 0.182 0.2 0.224 0.249
0 дБ 4.9 2 4.082 8.311 6.071 6.0	0.0291 0.0288 0.028 0.0265 0.024 0.019 0.01 0.0	1.012 1.053 1.096 1.145 1.203 1.288 1.404 1.509	2.024 2.106 2.192 2.29 2.406 2.576 2.808 3.018	5.405 5.306 5.217 5.129 5.042 4.94 4.843 4.787	6.881 6.296 5.79 5.303 4.828 4.271 3.697 3.301	0.16 0.175 0.19 0.207 0.226 0.253 0.287 0.316
-3 дБ 5.2 2 4.745 9.856 7.632 7.13	0.0433 0.043 0.0415 0.039 0.035 0.027 0.015 0.0	1.266 1.318 1.4 1.477 1.565 1.698 1.854 2.019	2.532 2.636 2.799 2.953 3.13 3.395 3.708 4.038	5.618 5.531 5.417 5.331 5.253 5.172 5.117 5.095	5.662 5.234 4.681 4.263 3.874 3.414 3.003 2.673	0.201 0.217 0.241 0.263 0.287 0.321 0.357 0.391
-6 дБ 5.7 2 5.345 11.71 9.702 8.809	0.0603 0.06 0.058 0.054 0.048 0.04 0.02 0.0	1.285 1.342 1.449 1.564 1.686 1.814 2.068 2.283	2.569 2.684 2.899 3.129 3.371 3.627 4.136 4.567	6.291 6.188 6.031 5.906 5.812 5.744 5.683 5.686	5.036 4.701 4.188 3.759 3.399 3.093 2.634 2.35	0.247 0.264 0.295 0.325 0.355 0.385 0.436 0.474

В таблицах 7.3 и 7.4 приведены значения элементов , вычисленные для случая реализации усилительного каскада с различным наклоном АЧХ, лежащим в пределах + 6 дБ, при допустимом уклонении АЧХ от требуемой формы  равном 0,25 дБ и 0,5 дБ, и для различных значений .

Таблицы получены с помощью методики проектирования согласующе-выравнивающих цепей транзисторных усилителей, предполагающей составление и решение систем компонентных уравнений [5], и методики синтеза прототипа передаточной характеристики, обеспечивающего максимальный коэффициент усиления каскада при заданной допустимой неравномерности АЧХ в заданной полосе частот [13].

Для перехода от схемы на рис. 7.7 к схеме на рис. 7.6 следует воспользоваться формулами пересчета:

                                 (7.11)

где    ;

,  - нормированные относительно  и  значения элементов  и .

Табличные значения элементов , в этом случае, выбираются для значения  равного:

                                       (7.12)

где    - коэффициент, значение которого приведено в таблицах.

Пример 7.3. Рассчитать  каскада и значения элементов , , , ,  межкаскадной КЦ (рис. 7.5), если в качестве  и  используются транзисторы КТ610А (= 3 нГн, = 5 Ом, = 4 пФ, = 86 Ом, = 1 ГГц), требуемый подъем АЧХ каскада на транзисторе  равен 3 дБ, = 50 Ом,  = 0,9, = 260 МГц.

Решение. Нормированные значения элементов ,  и  равны:  =  = 0,56;  = / = 0,058;  = / = 0,057. Значение = 0,9 соответствует неравномерности АЧХ 1 дБ. По таблице 7.4 найдем, что для подъема АЧХ равного 3 дБ коэффициент  = 4,9.


По (7.12) определим:  = 0,05. Ближайшее табличное значение  равно 0,07. Для этого значения  из таблицы имеем:  = 0,959;  = 1,917;  = 4,816;  = 4,817;  = 0,224. Теперь по (7.11) и (7.10) получим:  = 1,13;  = 0,959;  = 1,917;  = 4,256;  = 3,282;  = 0,229;  = 4,05. После денормирования элементов найдем:  =  = 82,5 Ом;  = / = 100 нГн;  = / = 30,3 пФ;  = 23,4 пФ;  = 12 нГн.

8. РАСЧЕТ УСИЛИТЕЛей С ЧАСТОТНЫМ РАЗДЕЛЕНИЕМ КАНАЛОВ

При разработке усилителей с рабочими частотами от нуля либо единиц герц до единиц гигагерц возникает проблема совмещения схемных решений построения низкочастотных и сверхвысокочастотных усилителей. Например, использование больших значений разделительных конденсаторов и дросселей питания для уменьшения нижней граничной частоты, связано с появлением некорректируемых паразитных резонансов в области сверхвысоких частот. Этого недостатка можно избежать, используя частотно-разделительные цепи (ЧРЦ). Наибольший интерес представляет схема усилителя с ЧРЦ, предназначенного для усиления как периодических, так и импульсных сигналов [15,16,17]. Схема усилителя с ЧРЦ приведена на рис. 8.1, где УВЧ – усилитель верхних частот, УНЧ – усилитель нижних частот.



Рис. 8.1

Принцип работы схемы заключается в следующем. Усилитель с ЧРЦ состоит из двух канальных усилителей. Первый канальный усилитель УВЧ является высокочастотным и строится с использованием схемных решений построения усилителей сверхвысоких частот. Второй канальный усилитель УНЧ является низкочастотным и строится с использованием достоинств схемных решений построения усилителей постоянного тока либо усилителей низкой частоты.


При условии согласованных входов и выходов канальных усилителей, выборе значения резистора  равным , а  много больше значения , усилитель с ЧРЦ оказывается согласованным по входу и выходу. Каждый из канальных усилителей усиливает соответствующую часть спектра входного сигнала. Выходная ЧРЦ осуществляет суммирование усиленных спектров в нагрузке.

Если обозначить нижнюю и верхнюю граничные частоты УВЧ как  и , а нижнюю и верхнюю граничные частоты УНЧ как  и , то дополнительным необходимым условием построения усилителя с ЧРЦ является требование:

³10.                                            (8.1)

В этом случае полоса пропускания разрабатываемого усилителя с ЧРЦ будет охватывать область частот от  до .

С учетом вышесказанного расчет значений элементов ЧРЦ усилителя сводится к следующему.

Значения резисторов  и  выбираются из условий:

                                                (8.2)

По заданному коэффициенту усиления УВЧ  определяется необходимый коэффициент усиления УНЧ  из соотношения:

,                           (8.3)

где  - входное сопротивление УНЧ.

Значения элементов ЧРЦ рассчитываются по формулам [15]:

                                (8.4)

Пример 8.1. Рассчитать значения элементов , , , , , , коэффициент усиления УНЧ и его  для усилителя с ЧРЦ, схема которого приведена на рис. 8.1, при условиях: = 10; = 1 МГц;  = ;  =  = 50 Ом.

Решение. В соответствии с формулами (8.1) и (8.2) выбираем:  = 10 МГц, =50 Ом, =500 Ом. Теперь по (8.3) найдем: =110, а по (8.4) определим: = 3,2 нФ; = 8 мкГн; = 320 пФ; =800 нГн.



Список использованных источников

 

1. Мамонкин И.Г. Усилительные устройства. Учебное пособие для вузов. - М.: Связь. 1977.

2. Шварц Н.З. Линейные транзисторные усилители СВЧ. - М.: Сов. радио, 1980.

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

4. 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.

5. 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.

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

7. 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.

8. Титов А.А. Упрощенный расчет широкополосного усилителя. // Радиотехника. - 1979. - № 6.

9. Мелихов С.В., Колесов И.А. Влияние нагружающих обратных связей на уровень выходного сигнала усилительных каскадов // Сб. «Широкополосные усилители». - Томск: Изд-во Том. ун-та, 1975. – Вып. 4.

10. Бабак Л.И. Анализ широкополосного усилителя по схеме со сложением напряжений // Сб.


«Наносекундные и субнаносекундные усилители» / Под ред. И.А. Суслова. - Томск: Изд-во Том. ун-та, 1976.

11. 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.

12. Титов А.А. Расчет межкаскадной корректирующей цепи многооктавного транзисторного усилителя мощности. // Радиотехника. – 1987. - №1.

13. Титов А.А. Расчет диссипативной межкаскадной корректирующей цепи широкополосного усилителя мощности // Радиотехника. - 1989. - №2.

14. Альбац М.Е. Справочник по расчету фильтров и линий задержки. – М.: Госэнергоиздат, 1963.

15. Ильюшенко В.Н., Титов А.А. Многоканальные импульсные устройства с частотным разделением каналов. // Радиотехника. - 1991. - № 1.

16. Пикосекундная импульсная техника. /В.Н. Ильюшенко, Б.И. Авдоченко, В.Ю. Баранов и др. / Под ред. В.Н. Ильюшенко.- М.: Энергоатомиздат, 1993.

17. Авторское свидетельство № 1653128 СССР, МКИ НОЗF 1/42. Широкополосный усилитель / В.Н. Ильюшенко, А.А. Титов // Открытия, Изобретения. – 1991 - №20.

---

---