Анализ методов повышения линейности усилителей Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ

УДК 621.397.62 м Л КОСТОЧКИН

В. А. АРЖАНОВ

Омский государственный технический университет

АНАЛИЗ МЕТОДОВ ПОВЫШЕНИЯ ЛИНЕЙНОСТИ УСИЛИТЕЛЕЙ

Рассмотрены современные методы повышения линейности усилителей. Акцентировано внимание на усилителях с «бесшумной» линейной отрицательной обратной связью (ЛООС) и усилителях с прямой связью. Приведена сравнительная оценка параметров различных схем усилителей с «бесшумной» ЛООС.

Ключевые слова: динамический диапазон, чувствительность, линеаризация, «бесшумная» ЛООС.

Важнейшей характеристикой любых электронных устройств усиления и обработки сигналов является динамический диапазон (ДД), который связан, с одной стороны, с порогом чувствительности устройства, определяемой его собственными шумами, а с другой — с проявлением его нелинейных свойств. Поэтому повышение линейности передаточных характеристик (ПХ) усилителей, составляющих радиоприемное устройство (РПУ), является важнейшей задачей. В данной работе рассмотрены методы повышения линейности усилителей, связанные с уменьшением интегральной нелинейности ПХ.

Существующие методы повышения линейности усилителей высокой частоты (УВЧ) довольно разнообразны (рис. 1) [1].

Значительно расширить ДД устройств в широком диапазоне частот позволило появление малошумящих усилительных приборов (УП) с большим диапазоном линейности ПХ, например, мощных СВЧ транзисто-

ров (КТ920, КТ939, КП905, КП907, КТ610 ит.п.), атак-же оптимизация режима по постоянному току и динамического режима усилителя [2]. Для обеспечения необходимых требований по линейности в усилителях высокой частоты РПУ используют режим работы А, характеризующийся минимальными нелинейными эффектами (НЭ).

Наиболее эффективным методом уменьшения НЭ усилителей является ЛООС. Однако ЛООС по-разному действует на НЭ различных порядков.

Простейшие варианты однокаскадного и двухка-скадного усилителей с комбинированной ЛООС представлены на рисунке 2. В однокаскадной схеме резистор 11э образует последовательную ЛООС по току, а резистор Яос. — параллельную по напряжению. Сочетание данных ЛООС обеспечивает в широкой полосе частот постоянство коэффициента усиления каскада, его входного и выходного сопротивлений. Перечисленные параметры фактически определяют-

Рис. 1. Методы повышения линейности усилителей

£

Ясс?

I т

/?з \явых

а)

б)

Рис. 2. Однокаскадный (а) и двухкаскадный (б) усилители с комбинированной ЛООС

VI

Рис. 3. Схема с взаимной коррекцией характеристик транзисторов разной проводимости

ся сопротивлениями обратной связи. Благодаря двум ветвям ЛООС происходит линеаризация как входной цепи (Кэ), так и выходной цепи (1*ос) транзистора, что особенно важно для расширения ДД, по интермодуляции высоких порядков [3].

Коррекция нелинейности характеристик транзистора позволяет на 10... 15 дБ увеличить ДД, каскада по интермодуляции без существенного усложнения схемы. На рис. 3 приведен пример схемы с взаимной

коррекцией характеристик транзисторов разной проводимости. При этом транзистор УТ1 желательно выбирать малошумящим, а УТ2 — достаточно мощным и линейным. Указанное соединение двух транзисторов эквивалентно одному транзистору с более высокими общими параметрами [3].

Варианты схем усилителей, где используется, так называемая, «бесшумная» ЛООС, представлены на рис. 4. Схема усилителя с трансформаторной обратной связью (УТОС), предложенная Нортеном [4], состоит, по существу, всего из двух элементов — транзистора и трансформатора, включенных так, что из-за трансформаторной отрицательной обратной связи обеспечено согласование на входе и на выходе. Из-за малых потерь в трансформаторе и почти полной передачи входной мощности на выход усилитель имеет предельно низкий шум-фактор. Принципиальные недостатки данной схемы — сравнительно малый коэф-фициентусиления, трудности с реализацией трансформатора при увеличении максимальной частоты и коэффициента трансформации (п>1), невозможность компенсации потерь и нелинейных искажений в фер-ритовом сердечнике.

а)

б)

Рис. 4. Схемы усилителей с «бесшумной» ЛООС: а) УТОС, б) УАТОС, в) отрицательная и положительная ОС

¿п

Вх

\А32 Ь гГ^)

/Й

Рис. 5. Параллельная многофазная схема

Рис. 6. Усилитель с распределенным усилением

Таблица 1

Тип схемы УТОС УАТОС Огр. и пол. ОС

Параметры

Коэффициент усиления мощности, дБ 7 7 13

Полоса пропускания, МГц 1,5...40 1...88 2...30

КСВ входа 1,2 1,2 1,3

КСВ выхода 1,4 1,2 1,3

Динамический диапазон 02„ дБ 102 103 86

Шум-фактор 1,75 - -

и,, В 25 20 20

1к, мА 55 50 50

В отличие от УТОС, характеристики усилителя с автотрансформаторной обратной связью (УАТОС) почти не зависят от параметров трансформатора [5], что исключает большинство ограничений, связанных с его неидеальностью.

Наиболее полезной представляется схема усилителя с отрицательной и положительной обратной связью, позволяющая реализовать довольно значительный коэффициент передачи при достаточно низких значениях коэффициентов трансформации. Однако, ее недостатком является существенно меньший динамический диапазон и усложнение схемы. В табл. 1 представлены экспериментальные характеристики усилителей на основе КТ939А, реализованных по схемам УТОС, УАТОС и схемы с отрицательной и положительной обратной связью.

К структурным методам повышения линейности усилителей относятся параллельная многофазная схема, каскадная многофазная схема, усилитель с распределенным усилением и усилитель с прямой связью.

Параллельная многофазная схема (рис. 5) представляет собой устройство, состоящее из параллельно соединенных по входу и выходу широкополосных усилительных каскадов, выполненных на идентичных активных элементах (АЭ). Подключение АЭ к общим входу и выходу усилителя осуществляется через широкополосные фазоразностные цепи <рпх и <ршх, которые на входе преобразуют сигнал источника в т-фазный сигнал с постоянным относительным фазовым сдвигом в широком диапазоне частот между соседними Ь и Ь + 1 входами. Фазоразностные цепи на выходе аналогичны входным и осуществляют обратное преобразование т-фазного сигнала после прохождения его через АЭ в однофазный. При таком построении схемы в нагрузке происходит синфазное сложение линейных составляющих сигналов от всех АЭ усилителя, а нелинейные помехи вида взаимной модуляции складываются противофазно [6].

Из рис. 5 следует, что хорошо известная двухтактная схема является простейшей из многофазных

{1-rJ

p

О!

Ki

G>

Кг

a)

H01

K1 -IffJ

Кал

H03

EC

AT1

-e-

Л32

Л31

Q

at

(1-jJ

H02

K2

HOi

Ihl

AT2

Кап

6)

Рис. 7. Схемы усилителя с прямой связью: а) - базовая схема, 6) - расширенная схема

и обеспечивает дополнительную компенсацию только нелинейных продуктов четного порядка, а из наиболее опасных — продуктов взаимной модуляции второго порядка. Из многофазных двухтактная схема выполняется наиболее просто, так как требуемый относительный фазовый сдвиг в 180° легко получается путем применения в схеме симметричного трансформатора. Тщательно сбалансированные двухтактные схемы могут обеспечить выигрыш в линейности по интермодуляции второго порядка не более 10—20 раз.

Каскадная многофазная схема имеет ограниченное распространение, вследствие трудности выполнения ряда требований [6].

Каскад с распределённым усилением (усилитель бегущей волны) состоит из нескольких одинаковых АЭ, включённых параллельно (рис. 6). Индуктивности, соединяющие управляющие электроды, и индуктивности, соединяющие их выходные электроды, образуют искусственные линии, в которых при определенных условиях [7] устанавливается режим бегущей волны. Приращение входного напряжения распространяется вдоль входной линии, оказываясь поочередно приложенным к управляющим электродам. В выходной линии коэффициенты усиления всех АЭ складываются. Собственные шумы отдельных электронных приборов в этой схеме статистически независимы, интенсивность шумов растет пропорционально числу электронных приборов, но сигналы от отдельных электронных приборов в нагрузке алгебраически складываются. В результате в схеме с распределенным усилением удается получить меньший коэффициент шума, чем в одном каскаде в режиме согласования. Вследствие разных фазовых сдвигов суммирование в общей нагрузке нелинейных продуктов, возникших в отдельных электронных приборах, происходит в случайных фазах, тогда как линейный полезный сигнал складывается алгебраически. Благодаря этому схема с распределенным усилением дает выигрыш в линейности, примерно равный выигрышу в шумах (в раз по сравнению с одиночным каскадом, здесь m — количество АЭ).

Как известно, радикальным средством повышения линейности каскада по нелинейным продуктам второго порядка является частотная избирательность [6, 7,8]. Она может быть применена и в широкополосных антенных усилителях, если их выполнить в виде нескольких каскадов с фильтрами на входе и выходе (Фвх и Фвых), параллельно подключенных к общим

источнику и нагрузке. Требуемое повышение линейности в таком усилителе может быть достигнуто, но при этом получается большое число фильтров, значительная неравномерность АЧХ и ФЧХ усилителя и их не-стабильность при длительной эксплуатации.

Среди возможных подходов к проблеме повышения линейности выделяется структурный метод на основе принципа инвариантности, который в усилительной технике получил распространение в виде усилителей с подачей сигнала вперед или усилителей спрямойсвязью (рис. 7) [9]. Принцип функционирования усилителя с прямой связью заключается в выделении в результате сравнения с входным сигналом искажений, шумов и нестабильностей основного усилителя У1 и вычитании их из выходного сигнала после масштабирования в усилителе ошибки У2. При выполнении условий 1-К,р=0 и 1-К2Р=0 в системе происходит полное подавление выходных флукту-аций основного усилителя при сохранении коэффициента передачи цепи на уровне К,.

Базовая структура усилителя с прямой связью для обеспечения направленности и фазности передачи сигналов в высокочастотном диапазоне дополняется делителями мощности НО, и линиями задержки Л3| (рис. 7) [10]. Выделение и компенсация флуктуаций основного усилителя обеспечивается противофазно-стью путей передачи сигнала на вход усилителя ошибки во входном контуре и на выход тракта от У1 в выходном контуре, что возможно в результате применения инвертирующих усилителей или противофазного трансформатора в диагонали прямой связи. Структурно эти решения эквивалентны, однако с учетом эффективности оптимизации фазовых соотношений в усилительном тракте предпочтительно использование инвертора в р-цепи.

Применение представленного выше метода позволяет в среднем увеличить ДД по интермодуляции на величину около 20дБ [9, 10,11 ], а в сочетании с автотрансформаторной линейной обратной связью («бесшумной» ЛООС) и двухтактной схемой существует потенциальная возможность дальнейшего расширения ДД по интермодуляции.

Библиографический список

1. Богданович, Б. М. Радиоприемные устройства с большим динамическим диапазоном / Б. М. Богданович. — М.: Радио и связь, 1984. - 176 с.

2. Головин, О. В. Профессиональные радиоприемные устройства декаметрового диапазона / О. В. Головин. — М.: Радио и связь, 1985. - 288 с.

3. Бобков, А. М. Реальная избирательность радиоприемных трактов в сложной помеховой обстановке / А М. Бобков. — СПб.: Абрис, 2001. - 216 с.

4. Абранин, Э. П. Высоколинейные широкополосные усилители с обратной связью / Э. П. Абранин, Ю. М. Брук // Радиотехника. - 1987. - №4. - С. 31-32.

5. Челышев, В. Д. Приёмные радиоцентры: Основы теории ирасчётавысокочастотныхтрактов/В.Д.Челышев. — М.:Связь, 1975. - 264 с.

7. Барановский, Б. К. Аппаратура многократного использования приемных антенн коротковолнового диапазона / Б. К. Барановский. — М.: Связь, 1966. — 76 с.

8. Коровин, А Н. Исследование возможности уменьшения интермодуляционных искажений в усилителях мощности с раздельным усилением за счет изменение формы спектральной плотности входного сигнала / А. Н. Коровин, Л. В. Ромашова // Радиотехника. - 2007. - №6. - С. 42-43.

9. Малевич, И. Ю. Расчет высокочастотного усилителя с прямой связью/ И. Ю. Малевич// Радиотехника. — 1995. — №11.— С. 44 - 47.

10. Головин, О. В. Условия полной компенсации нелинейно-стей второго и третьего порядков в усилителе с подачей сигнала вперед / О. В. Головин, И. А. Хардон // Электросвязь. - 1994. -№11. - С. 26-27.

11. Pat. 3891934 USA. Transistor amplifier with impedance matching transformer / Norton D.E. - 22.05.1974, United States Patents. — 6 pp.

КОСТОЧКИН Михаил Леонидович, аспирант кафедры «Радиотехнические устройства и системы диагностики».

АРЖАНОВ Валерий Андреевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Радиотехнические устройства и системы диагностики».

Адрес для переписки: 644050, г. Омск пр. Мира, 11.

Статья поступила в редакцию 09.03.2011 г. © М. Л. Косточкин, В. А. Аржанов

УДКМ1.311.68 л г РОГУЛИНА

Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики, г. Новосибирск

МОРФОЛОГИЧЕСКИЙ МЕТОД СИНТЕЗА УСТАНОВОК ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ ДЛЯ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ

В работе рассматривается метод морфологического синтеза для многопараметрической оптимизации установки электропитания. Метод представляет собой совокупность трёх составляющих — структурной, параметрической и топологической. Многосторонний, системный подход к анализу установки в установившихся и нестационарных режимах позволяет провести априорную оценку энергетических показателей и внутрисистемных помех.

Ключевые слова: морфологический синтез, установка электропитания, многопараметрическая оптимизация, имитационное моделирование.

Постановка задачи

Анализ современной научно-технической литературы показывает, что в настоящее время для сложных систем, к которым относятся установки электропитания (УЭП), решёнными остаются только задачи структурно-параметрического [1] или структурно-топологического синтеза в установившихся режимах [2]. Используемые методы синтеза базируются на эмпирических и интуитивных оценках уровней помех, полученных из опыта эксплуатации. Повышенная чувствительность современной аппаратуры к внутрисистемным помехам требует их учёта уже на стадии проектирования. Для решения задачи синтеза УЭП с учётом помех использовался морфологический метод, преимуществом которого является возможность алгоритмизации и компьютерной реализации всех этапов проектирования [3]. На основе проведенного анализа существующих современных УЭП по функциональным, структурным и парамет-

рическим признакам можно выделить пять основных иерархических уровней:

I уровень: источники энергии (И), включающие системы генерирования энергии (СГЭ), системы резервирования энергии (РЭ);

II уровень: преобразователи энергии (ПЭ), в состав которых входят выпрямительные устройства (ВУ), инверторы (И) и конверторы (К);

III уровень: системы коммутации (СК), системы передачи и распределения энергии (СП и РЭ);

Шуровень: система — безопасностьисреда(БиС), в состав которой входят система защиты (СЗ), система Вентиляции и кондиционирования воздуха (СВ и КВ);

Vуровень:потребители энергии (П), включающие потребителей постоянного тока (ПОТ) и потребителей переменного тока (ПЕТ).

Общая задача синтеза УЭП состоит в расчёте и выборе оптимального варианта с учётом комплекса требований и ограничений.