Меню

Расчет усилителя мощности титов



Расчет усилителя мощности титов

Параметрический синтез межкаскадных корректирующих цепей высокочастотных усилителей мощности

Титов А.А., Григорьев Д.А.

Источник:Радиотехника и электроника. – 2003. – № 4. – С. 442–448

Предложена методика параметрического синтеза межкаскадных корректирующих цепей усилителей мощности ультравысокочастотного и сверхвысокочастотного диапазонов, основанная на методе оптимального синтеза электрических фильтров. Приведены синтезированные таблицы нормированных значений элементов одной из наиболее простых и эффективных межкаскадных корректирующих цепей, применяемых в полосовых усилителях мощности, результаты эксперимента, машинного анализа и оптимизации. Коэффициент усиления одного каскада многокаскадного усилителя мощности ультравысокочастотного и сверхвысокочастотного диапазонов не превышает 3-10 дБ [1-3]. В этом случае увеличение коэффициента усиления каждого каскада, например, на 2 дБ, позволяет повысить коэффициент полезного действия всего усилителя мощности в 1,2-1,5 раза [4].

Современные методы параметрического синтеза усилительных каскадов с межкаскадными корректирующими цепями (МКЦ) не позволяют осуществлять реализацию максимально возможного, для заданного схемного решения, коэффициента усиления, при одновременном обеспечении заданного допустимого уклонения амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) от требуемой формы [1, 2, 5-8].

Задача нахождения значений элементов МКЦ, обеспечивающих максимальный коэффициент усиления каскада, в каждом конкретном случае может быть решена с помощью программ оптимизации. Однако наличие хорошего начального приближения значительно сокращает этап последующей оптимизации или делает его излишним [2, 6, 9].

Цель работы – создание методики параметрического синтеза МКЦ усилителей мощности ультравысокочастотного и сверхвысокочастотного диапазонов, позволяющей по таблицам нормированных значений элементов МКЦ осуществлять реализацию усилительных каскадов с максимально возможным, для заданного схемного решения, коэффициентом усиления, при одновременном обеспечении заданного допустимого уклонения АЧХ от требуемой формы.

Согласно [5, 6, 10-12], коэффициент передачи усилительного каскада с МКЦ в символьном виде может быть описан дробно-рациональной функцией комплексного переменного:

где ;
— нормированная частота;
— текущая круговая частота;
— верхняя круговая частота полосы пропускания многооктавного усилителя мощности, либо центральная круговая частота полосового усилителя;

— коэффициенты, являющиеся функциями параметров МКЦ и элементов аппроксимации входного импеданса транзистора усилительного каскада, н

нормированных относительно и сопротивления источника сигнала Rг.

Выберем в качестве прототипа передаточной характеристики (1) дробно-рациональную функцию вида:

(2)

Найдём такие её коэффициенты, которые позволят из системы нелинейных уравнений [10]:

(3)

рассчитать нормированные значения элементов МКЦ, обеспечивающие максимальный коэффициент усиления каскада, при заданном допустимом уклонении его АЧХ от требуемой формы.

В теории усилителей нет разработанной методики расчета коэффициентов ci, dj. Поэтому для их расчета воспользуемся методом оптимального синтеза электрических фильтров [13, 14].

В соответствии с указанным методом перейдем к квадрату модуля функции (2):

где
— вектор коэффициентов ;
— вектор коэффициентов .

При известных значениях коэффициентов функции , коэффициенты функции-прототипа (2) могут быть определены с помощью алгоритма, описанного в [15].

Для решения задачи нахождения векторов коэффициентов составим систему линейных неравенств:

(4)

где — дискретное множество конечного числа точек в заданной нормированной области частот;
— требуемая зависимость квадрата модуля на множестве ;
— допустимое уклонение от ;
— малая константа.

Первое неравенство в (4) определяет величину допустимого уклонения АЧХ каскада от требуемой формы. Второе и третье неравенства определяют условия физической реализуемости рассчитываемой МКЦ [13]. Учитывая, что полиномы и положительны, модульные неравенства можно заменить простыми и записать задачу в следующем виде:

(5)

Решение неравенств (5) является стандартной задачей линейного программирования. В отличие от теории фильтров, где данная задача решается при условии минимизации функции цели: , неравенства (5) следует решать при условии ее максимизации: , что соответствует достижению максимального значения коэффициента усиления рассчитываемого каскада [16].

Таким образом, предлагаемая методика заключается в следующем:

  1. нахождение дробно-рациональной функции комплексного переменного, описывающей коэффициент передачи усилительного каскада с МКЦ;
  2. синтез коэффициентов квадрата модуля прототипа передаточной характеристики усилительного каскада с МКЦ по заданным значениям и ;
  3. расчет коэффициентов функции-прототипа по известным коэффициентам ее квадрата модуля;
  4. решение системы нелинейных уравнений (3) относительно нормированных значений элементов МКЦ.

Многократное решение системы линейных неравенств (5) для различных и позволяет осуществить синтез таблиц нормированных значений элементов МКЦ, по которым ведется проектирование усилителей.

Известные схемные решения построения МКЦ усилителей мощности отличаются большим разнообразием. Однако из-за сложности настройки и высокой чувствительности характеристик усилителей к разбросу параметров сложных МКЦ в усилителях мощности ультравысокочастотного и сверхвысокочастотного диапазонов практически не применяются МКЦ более четвертого-пятого порядка. [1-3, 5, 6, 11, 17, 18].

Воспользуемся описанной выше методикой параметрического синтеза мощных усилительных каскадов с МКЦ для синтеза таблиц нормированных значений элементов одной из наиболее простых и эффективных МКЦ, применяемых в полосовых усилителях мощности [3, 17, 18], схема которой приведена на рис. 1.

Рис.1. Реактивная межкаскадная корректирующая цепь четвертого порядка

Для нахождения коэффициента передачи усилительного каскада на транзисторе T2 аппроксимируем входной и выходной импедансы транзисторов T1 и T2 RC- и RL- цепями [1, 5, 10, 12], и от схемы, приведенной на рис. 1, перейдем к схеме, приведенной на рис. 2.

Рис. 2. Эквивалентная схема включения межкаскадной корректирующей цепи

Вводя идеальный трансформатор после конденсатора С2 с последующим применением преобразования Нортона [5], перейдем к схеме, представленной на рис. 3.

Рис. 3. Преобразованная эквивалентная схема включения межкаскадной корректирующей цепи

Для полученной схемы, в соответствии с [5, 6, 10-12], коэффициент передачи последовательного соединения МКЦ и транзистора T2 можно описать выражением:

, (6)

где ;
Gном12 — коэффициент усиления транзистора T2 по мощности в режиме двустороннего согласования на частоте =1 [5];

(7)

(8)

— нормированные относительно и Rвых значения элементов .

По известным значениям , переходя от схемы на рис. 3 к схеме на рис. 2, найдём:

(9)

где ;
Lвхн — нормированное относительно Rвых и значение Lвх.

Из (6) следует, что коэффициент усиления каскада на частоте =1 равен:

(10)

В качестве прототипа передаточной характеристики (6) выберем функцию:.

(11)

Квадрат модуля функции-прототипа (11) имеет вид: . (12)

Для нахождения коэффициентов Di составим систему линейных неравенств (5):

(13)

Решая (13) для различных и при условии максимизации функции цели: Fun=D4=max, найдем коэффициенты , соответствующие различным полосам пропускания полосового усилительного каскада. Вычисляя полиномы Гурвица знаменателя функции (12) [15], определим коэффициенты функции-прототипа (11).

Значения коэффициентов функции-прототипа (11), соответствующие различным величинам относительной полосы пропускания, определяемой отношением fв/fн, где fв, fн — верхняя и нижняя граничные частоты полосового усилителя, и для неравномерности АЧХ, равной +- 0,5 дБ, приведены в таблице. Здесь же представлены результаты вычислений нормированных значений элементов , полученные из решения системы неравенств (3) и соответствующие различным значениям .

Анализ полученных результатов позволяет установить следующее. При заданной относительной полосе пропускания существует определенное значение , при превышении которого реализация каскада с требуемой формой АЧХ становится невозможной. Это обусловлено уменьшением добротности рассматриваемой цепи с увеличением . При больших величинах отношения fв/fнанализируемая схема МКЦ перерождается в трехэлементную МКЦ, методика расчета которой описана в [11]. Поэтому в таблице приведены результаты расчетов нормированных значений элементов МКЦ, ограниченные отношением fв/fн, равным шести.

Рассматриваемая МКЦ (рис. 1) может быть использована и в качестве входной корректирующей цепи усилителя. В этом случае при расчетах следует полагать Rвых=Rг, Свых=0.

Источник

Расчет усилителя мощности титов

Экономичный сверхширокополосный усилитель мощности

Читайте также:  Место нахождения производственных мощностей

Технические характеристики усилителя: полоса пропускания 8-240 МГц; неравномерность амплитудно-частотной характеристики + 1,5 дБ; максимальный уровень выходной мощности, не менее 20 Вт; коэффициент усиления 40 дБ; сопротивление генератора и нагрузки 50 Ом; усилитель сохраняет работоспособность при изменении нагрузки от холостого хода до короткого замыкания; потребляемый ток в режиме молчания 2,2 А, в режиме максимальной выходной мощности 6,8 А; напряжение питания 24 В.

Сверхширокополосные усилители мощности используются для увеличения выходной мощности генераторов стандартных сигналов, что необходимо при настройке полосовых усилителей мощности радиостанций, для построения систем линейной и нелинейной радиолокации. Традиционно в них используется режим работы транзисторов с фиксированной рабочей точкой. Поэтому средний коэффициент полезного действия усилителя, при усилении сигналов различной амплитуды, оказывается равным нескольким процентам. Повышение коэффициента полезного действия возможно при использовании автоматической регулировки потребляемого тока. Однако известные схемные решения построения сверхширокополосных усилителей мощности с автоматической регулировкой потребляемого тока предназначены для работы на согласованную нагрузку [1-3], что значительно сокращает область применения таких усилителей.

На рис. 1 приведена принципиальная схема усилителя с автоматической регулировкой потребляемого тока, предназначенного для работы на несогласованную нагрузку. На рис. 2 приведен чертеж печатной платы, а на рис. 3 фотография внешнего вида усилителя.

Усилитель содержит четыре каскада усиления на транзисторах VT2, VT4, VT6, VT8, трансформатор импедансов ТР1, датчик выходного напряжения, датчик выходного тока, схему управления током потребления на транзисторах VT5, VT7, VT9, и резисторах R5 и R6. Датчик выходного напряжения состоит из резистора R8 и детектора на диоде VD2, датчик выходного тока содержит детектор на диоде VD4, магнитопроводящий сердечник M1, отрезок кабеля и однослойную обмотку, выполненную из провода, навитого на сердечник.

Первые два каскада усиления работают в режиме с фиксированной рабочей точкой с токами покоя транзисторов VT2, VT4, равными 0,2 А и 0,6 А соответственно. Стабилизация токов покоя каскадов достигается благодаря применению активной коллекторной термостабилизации [4], а сами токи покоя устанавливаются подбором номиналов резисторов R1 и R2.

Читайте также:  Мощность электроприемника определяется по формуле

Рис. 3 фотография внешнего вида усилителя.

Выходной и предоконечный каскады усилителя работают в режиме с автоматической регулировкой потребляемого тока. Начальные токи потребления транзисторов VT6, VT8, равные 0,6 А и 0,8 А, устанавливаются подбором номиналов резисторов R3 и R4 , а требуемая область регулирования токов потребления каждого из каскадов устанавливается подбором номиналов резисторов R5 и R6 .

Во всех каскадах усилителя, кроме оконечного, использованы реактивные межкаскадные корректирующие цепи пятого порядка [5], где в качестве одного из элементов корректирующей цепи используется реактивная составляющая входного импеданса транзистора [6]. В оконечном каскаде использована корректирующая цепь третьего порядка [5].

Оптимальное сопротивление нагрузки мощного транзистора, на которое он отдает максимальную мощность, составляет единицы ом [7]. Поэтому между выходным каскадом и нагрузкой усилителя включен трансформатор импедансов ТР1 с коэффициентом трансформации 1:4, выполненный на длинных линиях с волновым сопротивлением 25 Ом и длиной 12 см. Длинные линии трансформатора изготовлены из четырех скрученных проводов марки ПЭЛ диаметром 0,25 мм. Методика изготовления длинных линий заключается в следующем. Берется два квадрата из стеклотекстолита со сторонами 3-4 см с просверленными дырочками в каждом из углов квадрата. В дырочки вставляются и закрепляются четыре провода. Один из квадратов закрепляется неподвижно, а второй вращается с помощью дрели. Для этого в его середине просверливается отверстие, в которое вставляется винт, вращающий квадрат. Затем от полученной четырехпроводной линии отрезается отрезок требуемой длины и концы близлежащих проводов спаиваются между собой.

Датчик выходного тока работает следующим образом. При протекании через отрезок кабеля выходного высокочастотного тока в сердечнике М1 образуется высокочастотное магнитное поле, в результате чего на концах однослойной обмотки наводится высокочастотная ЭДС, пропорциональная протекающему через отрезок кабеля высокочастотному току. Напряжение, снимаемое с обмотки, детектируется детектором на диоде VD4. Однослойная обмотка, при этом, содержит 5-7 витков луженого провода диаметром 0,5-0,8 мм.

Резистор R9, и оплетка отрезка кабеля образуют замкнутый вокруг сердечника M1 контур с сопротивлением равным сопротивлению резистора R9. Использование резистора R9 позволяет улучшить амплитудно-частотную характеристику датчика выходного тока и уменьшить нагревание магнитопроводящего сердечника. Изменяя сопротивление резистора , можно изменять уровень магнитного поля в сердечнике M1 и потери мощности в нем.

Работа системы регулирования потребляемого тока заключается в следующем.

При работе на нагрузку 50 Ом датчики выходного напряжения и выходного тока выдают одинаковые управляющие напряжения, пропорциональные уровню выходного сигнала. В исходном состоянии, при отсутствии входного воздействия, напряжения на базах транзисторов VT5, VT7, и эмиттере транзистора VT9 равны. С появлением выходного сигнала появляется управляющее напряжение, уменьшающее напряжение на эмиттере транзистора VT9. Это напряжение через резисторы R5 и R6 подается на базы транзисторов VT5, VT7, приводя к открыванию транзисторов VT6, VT8. Достоинством такого способа управления токами потребления является исключение влияния детекторного эффекта на уровень выходной мощности, с одновременной термостабилизацией рабочих точек транзисторов VT6, VT8, при постоянной выходной мощности [3].

При работе на нагрузку более 50 Ом, сигнал управления формируется датчиком выходного напряжения и ток, потребляемый транзисторами VT6, VT8, пропорционален выходному напряжению. При работе на нагрузку менее 50 Ом, сигнал управления формируется датчиком выходного тока и ток, потребляемый транзисторами VT6, VT8, пропорционален выходному току. В результате рассматриваемый усилитель отдает в несогласованную нагрузку мощность, равную мощности отдаваемой усилителем с фиксированной рабочей точкой.

Экспериментальные исследования показывают, что, при неизменном уровне входного воздействия, сигнал управления, формируемый датчиками выходного напряжения и выходного тока, минимален при сопротивлении нагрузки 50 Ом и возрастает как при уменьшении, так и при увеличении сопротивления нагрузки. Поэтому для ограничения области регулирования потребляемого тока заданным верхним пределом, в схему введен стабилитрон VD3, ограничивающий неконтролируемое уменьшение напряжения на эмиттере транзистора VT9.

Читайте также:  Как узнать мощность потребляемого тока

Печатная плата (рис. 2) размером 180х80 мм изготавливается из фольгированного с двух сторон стеклотекстолита толщиной 2-3 мм. Пунктирной линией на рис. 2 обозначены места металлизации торцов, что может быть сделано с помощью металлической фольги, которая припаивается к нижней и верхней части платы. Четыре отверстия диаметром 2 мм на плате также предназначены для электрического соединения нижней и верхней части платы в этих местах. Металлизация необходима для устранения паразитных резонансов и заземления нужных участков печатной платы. После металлизации торцов с помощью напильника выравнивается нижняя часть платы, и она устанавливается, как это видно на фотографии, в корпус.

Настройка усилителя состоит из следующих этапов.

Вначале производится покаскадная настройка амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) усилителя. Для этого с помощью резисторов R1-R4 устанавливаются токи покоя транзисторов VT2, VT4, VT6, VT8. Затем в качестве нагрузки транзистора VT2 через разделительный конденсатор подключается резистор 50 Ом. Подбором ёмкости конденсатора C2 достигается равномерная АЧХ каскада в области нижних и средних частот полосы пропускания. Подбором ёмкости конденсатора C3 достигается выравнивание АЧХ в области верхних частот полосы пропускания. Если этого не удается достичь, следует уменьшить величину конденсатора C1. Далее к первому каскаду подключается второй и процесс настройки повторяется.

После формирования АЧХ усилителя в режиме малого сигнала, резисторы R 3 и R4 заменяются на подстроечные и при постепенном увеличении входного воздействия с помощью этих подстроечных резисторов определяются токи потребления транзисторов VT6, VT8, при которых усилитель отдает в нагрузку максимальную мощность в заданной полосе частот. Для транзисторов VT6, VT8 эти токи примерно равны 2,5 и 3,5 А. В этом же режиме определяется номинальное значение выходной мощности усилителя, то есть такой уровень выходной мощности, при котором ещё отсутствуют искажения обусловленные насыщением либо отсечкой коллекторного тока транзисторов.

При номинальном значении выходной мощности осуществляется настройка датчиков выходного напряжения и выходного тока, заключающаяся в выравнивании значений выдаваемых ими управляющих напряжений, что достигается с помощью резисторов R8 и R10 . Настройка производится при поочередном включении и выключении датчиков и измерении управляющих напряжений на эмиттере транзистора VT9. При необходимости производится коррекция АЧХ коэффициентов передачи датчиков. Коррекция АЧХ датчика напряжения может быть осуществлена с помощью конденсатора небольшой емкости, подключаемого параллельно резистору R8. Коррекция АЧХ датчика тока осуществляется с помощью изменения числа витков однослойной обмотки и включением последовательно с резистором R10 небольшой индуктивности.

После настройки датчиков напряжения и тока, потенциометры в базовых цепях транзисторов VT5, VT7, заменяются на резисторы R3 и R4, и с помощью резистора R7 на эмиттере транзистора VT9 устанавливается напряжение равное напряжению на базах транзисторов VT5, VT7 . Вместо резисторов R5 и R6 включаются потенциометры, с помощью которых регулируется коэффициент передачи канала управления токами потребления транзисторов VT6, VT8. При номинальном значении выходной мощности, токи потребления транзисторов VT6, VT8, с помощью потенциометров устанавливаются равными 2,5 и 3,5 А и потенциометры заменяются резисторами соответствующих номиналов. В этом же режиме работы измеряется напряжение между шиной питания и базой транзистора VT9 и между ними устанавливается стабилитрон VD3 с напряжением стабилизации равным измеренному значению.

При необходимости система автоматической регулировки потребляемого тока может быть отключена без ухудшения технических характеристик усилителя за исключением понижения коэффициента полезного действия. В этом случае токи потребления транзисторов VT6, VT8, с помощью резисторов и устанавливаются равными 2,5 и 3,5 А.

Настроенный описанным выше способом усилитель имеет следующие технические характеристики: полоса пропускания 8-240 МГц; неравномерность АЧХ + 1,5 дБ; максимальный уровень выходной мощности, не менее 20 Вт; коэффициент усиления 40 дБ; сопротивление генератора и нагрузки 50 Ом; усилитель сохраняет работоспособность при изменении нагрузки от холостого хода до короткого замыкания; потребляемый ток в режиме молчания 2,2 А, в режиме максимальной выходной мощности 6,8 А; напряжение питания 24 В, габаритные размеры 190х110х30 мм. При длительной работе усилителя, его необходимо устанавливать на радиатор с использованием принудительной вентиляции.

Источник