Разработка усилителей (1095878), страница 5
Текст из файла (страница 5)
Достигается этопреимущественно за счёт ухудшения согласования.Применяя резистивные согласующие цепи можно получить хорошеесогласование,ноприэтомуменьшаетсякоэффициентусиленияиувеличивается коэффициент шума.Балансные усилители. Установив на входе и выходе усилителягибридные мостовые делители мощности, можно получить хорошеесогласование усилителя в полосе более октавы.
Коэффициент усиления приэтом равен коэффициенту усиления одиночного усилителя, а общая сборкавключает в свой состав два транзистора, и потребляемая мощностьувеличивается в два раза.36Распределённые усилители. В этом случае несколько транзисторовсоединяются вдоль линии передачи, что даёт хороший коэффициент усиления,согласование и коэффициент шума в широкой полосе частот. Данная схемаимеет относительно большие геометрические размеры, и даёт меньшийкоэффициент усиления, чем каскадное соединение нескольких усилителей стем же количеством ступеней.Балансный усилительНапомним, что рассчитав усилитель с коэффициентом усиления меньшемаксимального,можнополучитьплоскуювершинузависимостикоэффициента усиления от частоты в относительно широком диапазонечастот, но при этом уровень согласования будет далёк от идеального.
В схемебалансного усилителя, представленной на рисунке 4, данная проблемарешается путём установки на входе и выходе гибридных мостовых делителей,что уменьшает уровень отражений от двух идентичных усилителей. В первомделителе входной сигнал разделяется на два с равной амплитудой идифференциальным фазовым сдвигом 90°, которые затем подаются на входыусилителей. Во втором мостовом делителе сигналы суммируются.
В связи сфазовыми соотношениями, вносимыми мостовыми делителями, отражения навходе вычитаются, что в результате улучшает уровень согласования. Вовторичном канале выходного мостового делителя мощности суммируются, ана выходе первичного вычитаются. Коэффициент усиления при этом остаётсяравным коэффициенту усиления одиночного усилителя.37Рисунок 4 – Балансный усилитель с гибридными мостовыми делителямиДанная схема более сложна по сравнению с одиночным усилителем, таккак включает в свой состав два гибридных мостовых делителя и два усилителя,но обладает рядом достоинств: Одиночный усилитель может быть настроен на требуемыйкоэффициент усиления и коэффициент шума независимо отуровня согласования; Отраженияпоглощаются в согласованных нагрузках, чтоулучшает уровень согласования и устойчивость усилителей; Если один уз усилителей выходит из строя, то общий коэффициентусиления уменьшается на 6 дБ; Ширина полосы пропускания составляет октаву или более, чтоограничивается полосой направленного ответвителя.На практике микросхемах с балансными усилителями чаще всегоиспользуются мосты Ланге, которые являются широкополосными и оченькомпактными, но также могут использоваться мостовые гибридные делителии делители Вилкинсона с четвертьволновым участком линии в одном из плеч.На рисунке 41 представлен пример микросхемы усилителя мощности,построенного по балансной схеме38Рисунок 41 – Балансный усилитель с мостами ЛангеНа выходе идеальных гибридных делителей напряжения определятьсяформулами:+1=+1=1√2−√21+ ,(68а)1+ ,(68б)где 1+ – напряжение падающей волны на входе.
Выходное напряжение можноопределить как2− =−√2+2+1√2+2=−√2+ 1+1√2+ 1=− + ( + ),2 1 (69)где и – коэффициенты усиления усилителей по напряжению. Тогдакоэффициент передачи 21 равен212− −( + ).= +=2 139(70)Из данной формулы видно, что общий коэффициент усилениябалансного усилителя является средним между коэффициентами усиленияотдельных усилителей.Напряжение отражённой волны на входе равно1− =1√2+1+−√2+1=1√2+Γ 1+−1+Γ 1= 1+ (Γ − Γ ).2√2(71)Тогда коэффициент 11 равен111− 1= + = (Γ − Γ ).21(72)Если усилители в обоих плечах являются идентичными, то есть еслиΓ = Γ , то 11 = 0, а 21 = = . Если один уз усилителей выходит изстроя, то общий коэффициент усиления уменьшается на 6 дБ из-за потерь всогласованных нагрузках, присоединённых в гибридным мостам. Такжеможно показать, что коэффициент шума балансного усилителя1 = ( − ),2(73)где и – коэффициенты шума одиночных усилителей.Распределённый усилительКонцепция распределённых усилителей известна ещё с 1940х годов,когда она использовалась при создании широкополосных вакуумныхусилителей.
Ввиду недавних успехов в производстве микроволновыхинтегральных схем и информационных технологий обработки сигналовданнаяконцепциянашлановоеприменениевширокополосныхмикроволновых усилителях. При этом возможно получить рабочую полосу доодной декады с хорошим согласованием входа и выхода. Однако следуетзаметить, что с помощью распределённых усилителей нельзя получить оченьвысокий коэффициент усиления или очень низкий коэффициент шума, крометого они больше по размеру по сравнению с усилителем, имеющим тот жекоэффициент усиления в более узкой полосе.40Обобщённая схема распределённого усилителя показана на рисунке 5.Схема состоит из N идентичных полевых транзисторов, затворы которыхсоединены с линией передачи с характеристическим сопротивлением з ирасстоянием между ними з , а стоки соединены с линией передачи схарактеристическим сопротивлением и расстоянием между ними .Функционирование данной схемы во многом сходно с функционированиемволноводного направленного ответвителя с несколькими отверстиями связи.Сигнал от входа распространяется вдоль линии затвора, при этом на каждыйтранзистор ответвляется часть мощности.
Усиленные сигналы с выходовтранзисторов формируют бегущую волну в линии стока. Постоянныераспространения и длины линий затвора и стока выбираются для правильнойфазировки, а согласованные нагрузки поглощают волны, распространяющиесяв противоположных направлениях. Емкости затвора и стока транзисторавключаются в состав линий передачи затвора и стока, а сопротивления затвораи стока вносят активные потери в эти линии. Такой тип усилителей называетсяусилителем бегущей волны.Рисунок 5 – Обобщённая схема распределённого усилителяДалее рассмотрим распределённый усилитель в терминах нагруженныхлиний передачи затвора и стока.
Аналитическое решение позволяет лучшепонять физические принципы функционирования устройства, но дляполучения более высокой точности следует использовать САПР.Напервомэтаперасчётапримем,чтоусилительявляетсяодносторонним, то есть зс = 0, что позволяет разделить схему на две41независимые нагруженные линии затвора и стока., показанные нарисунках 6, 7.Рисунок 6 – (а) Схема линии передачи затвора;(б) Эквивалентная схема ячейки линии передачи затвораРисунок 7 – (а) Схема линии передачи стока;(б) Эквивалентная схема ячейки линии передачи стока42Линиипередачизатвораистока,какправило,являютсямикрополосковыми, и следует обратить внимание, что на рисунке 5 проводник«земли» условно не показан, а на рисунках 6, 7 он присутствует. Связь междузатвором и стоком определяется зависимостью значения тока т = . Нарисунках 6б, 6б изображены эквивалентные схемы одиночных ячеек линийпередачи затвора и стока.
з и з – погонная индуктивность и ёмкость линиипередачи затвора, а вх з и зи ⁄з – эквивалентная погонная нагрузка,определяемая входным сопротивлением транзистора вх и ёмкостью затвористок зи . Также определяются параметры с , , зи с , си ⁄с для цепи стока.Таким образом мы определили сосредоточенные элементы нагрузки длякаждого транзистора и распределённые параметры линий передачи длякаждой ячейки усилителя.
Данная аппроксимация является допустимой вслучае небольшой электрической длины элементарной ячейки.Далее, пользуясь соотношениями теории электрических цепей, найдёмэффективноераспространенияхарактеристическоевлинияхсопротивлениезатвораистока.Дляипостоянныелиниизатворапоследовательный импеданс и параллельная проводимость на единицу длиныравны: = з , = з + зи ⁄з.1 + вх зи(74а)(74б)В случае линии без потерь характеристическое сопротивлениезз = √ = √.з + зи ⁄з(75)При расчёте постоянной распространения сохраним в формулах активноесопротивление, так как оно ведёт к потерям в линии передачи зи ⁄зз = з + з = √ = √з (з +),1 + вх зи43(76)з = √з (з + зи ⁄з (1 − вх зи )).1 + (вх зи )2Если принять, что активные потери в линии являются небольшими, то естьвх зи ≪ 1 тогдаз = з + з ≅ √− 2 з (з + зи (1 − вх зи )⁄з ) ≅22 вх зиз≅+ √з (з + зи ⁄з ).2зДля линии стока(77)последовательный импеданс и параллельнаяпроводимость на единицу длины равны: = с ,=1си + ( + си ⁄ ).(78а)(78б)Характеристическое сопротивление линии стокасз = √ = √,с + си ⁄с(79)и постоянная распространения1с = с + с = √ = √с (+ ( + си ⁄ )),си ≅с+ √ (с + си ⁄ ).2си с(80)Для n-го транзистора напряжение на ёмкости затвор-исток = вх −(−1)з з (1).1 + вх зи(81)Коэффициент в скобках показывает, как делится напряжение между вхи зи ; для типичного полевого транзистора вх зи ≪ 1, поэтому данныйкоэффициент можно принять приблизительно равным единице во рабочемвсём рабочем диапазоне усилителя.
Выходной ток в линии стока может бытьнайден, принимая во внимание, что каждый источник тока создаёт волны в44каждом направлении (−1/2)с ±с .Так как т = , выходной ток в N-мзвене линии стока равенвых=1=11 вх − = − ∑ с −(−)сс = − с с з з ∑ −(зз −с с) .22(82)Слагаемые суммы сложатся синфазно только если з з = с с, то есть когдафазовые задержки в линиях затвора и стока синхронны. Также в линии стокасуществует волна, распространяющаяся в обратном направлении, при этомотдельные составляющие волны будут не в фазе, таким образом, она будетсильно ослаблена; остаточная мощность поглощается в согласованнойнагрузке с .
Для суммирования используем следующую формулу(83) +1 − ,∑ =−1=1тогда выражение (82) преобразуется к видувых вх − −(+1)(зз −с с ) − −(зз −с с)=− с с з з=2 −(з з−сс ) − 1 вх − −(зз −с с) − 1=− с с з з=21 − (зз −с с) вх −зз − − =−(84)2 −з з − −ссВ случае согласования входа и выхода усилителя его коэффициентусиления рассчитывается по формуле2=выхвх вх −зз − − 12| с з|вых | с |− 2 −з з − −сс2==1|вх |22|вх | /з2=2с з4|−з з− 2−| . −з з − −сс45(85)Применяя условие синфазного сложения з з = с с, можно упроститьвыражение (85) до следующей формы2с з ( −зз − − )2=.( −з з − −сс )24(86)Если потери малы з → 0, с → 0, то экспоненты можно заменить первымичленами ряда Тейлора, и тогда выражение (86) преобразуется к виду22с з ( − з з )2 с з 2==.( − з з )244(87)Это выражение показывает, что коэффициент усиления возрастаетпропорционально 2 , в отличие от N-каскадного усилителя, коэффициенткоторого возрастает пропорционально (0 ) .
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
