Разработка методики расчета межкаскадной корректирующей цепи усилителя на мощных полевых транзисторах (стр. 2 из 12)

1. Введение

Сверхширокополосные усилители мощности находят широкое применение в радиотехнических системах предназначенных для передачи и приема сложных радиосигналов, системах нелинейной радиолокации, системах противодействия и управления, поиска, хранения и обработки информации, быстродействующих цифровых системах передачи данных, оптоэлектронных и акустоэлектронных устройствах, аппаратуре для физических исследований [1].

При разработке СУМ разработчик сталкивается с рядом трудностей. Так при разработке возникает проблема разработки широкополосных усилительных каскадов с заданным наклоном АЧХ. Она 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. Так же известно, что усилительные свойства транзисторов падают с ростом частоты усиливаемых сигналов. Это является причиной того, что коэффициент усиления одного усилительного каскада СУМ ультравысокочастотного и сверхвысокочастотного диапазонов не превышает 3-8 дБ [1]. В этом случае увеличение коэффициента усиления каждого каскада, например, на 2 дБ позволяет повысить коэффициент полезного действия всего СУМ в 1,2 -1,5 раза [36].

Поэтому важно обеспечить согласование усилительных каскадов. Это возможно сделать с помощью высокочастотных схем коррекции, которые позволяют обеспечить дополнительный подъем АЧХ СУМ.

Известные схемные решения построения МКЦ СУМ отличаются большим разнообразием. Однако из-за сложности настройки и высокой чувствительности характеристик усилителей к разбросу параметров сложных МКЦ, в СУМ ультравысокочастотного и сверхвысокочастотного диапазонов практически не применяются МКЦ более третьего-четвертого порядков.

В последнее время наблюдается тенденция к использованию в выходных каскадах мощных полевых транзисторов. Обычно в таких схемах используются МКЦ. В тоже время в литературе не встречается их сравнительный анализ. Также нет и методики подходящей для расчета всех видов МКЦ.

Поэтому, целью данной работы, является разработка методики расчета МКЦ усилителя, обеспечивающий максимальный коэффициент передачи при заданных неравномерности АЧХ и полосе пропускания, по итогам сравнительного анализа МКЦ СУМ на полевых транзисторах.

Сравнительный анализ будем производить исходя из условия обеспечения максимального коэффициента усиления каскада при заданной полосе пропускания и допустимого отклонения АЧХ.

2 Обзор и анализ схем МКЦ

2.1 Программа оптимизации OPTIMAMP

Для анализа МКЦ была использована программа оптимизации OPTIMAMP (в дальнейшем программа) написанная с помощью пакета математических и инженерных вычислений MATLAB6.1. Данная программа предназначена для оптимизации и построения АЧХ электронных схем. Дадим краткое описание и приемы работы с программой.

В основе программы лежит метод узловых потенциалов. Поэтому для исследования устройства необходимо заменить электрическую схему её эквивалентной схемой.

После замещения электрической схемы эквивалентной необходимо внести значения элементов в программу. Для этого проделываем следующие действия. Открываем пакет MATLAB. В командной строке набираем optimamp. Появляются два окна изображенных на рисунках 2.1 и 2.2. В основное тело программы (в дальнейшем главной) необходимо внести значения эквивалентной схемы. Для этого «кликнем» на файл и выберем новый проект. Затем начнем вносить значения элементов. Под диалоговым окном имеется ряд функциональных окон. Первое окно предназначено для выбора элементов. Нажимаем на треугольник рядом с буквой Rи выбираем элемент. В соседнем окне вводим индекс этого элемента. Следующее окно предназначено для указания на оптимизацию выбранного элемента. Если в этом окне поставит галочку то данный элемент, в ходе выполнения программы, будет, подвергнут оптимизации. Далее, в соседнем окне, вводим номинал элемента. Нажав на треугольник около соседнего окна, выбираем величину номинала. Следующие четыре окна предназначены для указания узлов подключения элементов. Здесь следует отметить особенность подключения управляемого источника тока источника тока (в программе он обозначается как S). Сначала указываются узлы управления, а потом узлы подключения источника тока. Причем важно указать направление тока. После того как вся информация об элементе внесена, нажимаем на кнопку Новый и повторяем аналогичные действия для нового элемента. Для удаления всего элемента предназначена кнопка Удалить. После того как все элементы будут внесены, необходимо указать входные и выходные узлы. Это производиться в окне под названием узлы. Справа от того окна находиться окно под названием оптимизация. В нем, в подокне частоты, вводим диапазон частот, в котором проводится оптимизация по следующей схеме:нижняя частота : шаг : верхняя частота(например, 100е6 : 5е7 : 2е9). В окне коэффициент вводим желаемый коэффициент передачи устройства. Под ним находятся окна для выбора единицы измерения коэффициента передачи К (раз) и S21(дБ). Для выбора необходимо просто поставить точку в окне напротив соответствующего значения. Аналогично поступается и с окнами Не оптимизировать и Оптимизировать. В случае не оптимизации программа просто выдает АЧХ устройства исходя из анализа элементов введенных ранее. В случае оптимизации программа будет подбирать элементы, предназначенные для оптимизации, для достижения выбранного коэффициента передачи в заданной полосе частот. После того как все сведения о схеме будут введены, рекомендуется сохранить проект. Для этого нажимаем на Файл и выбираем пункт Сохранить проект, и сохраняемся в выбранной директории в файле с расширением .mat.

После этого нажимаем на кнопку Пуск. Если была выбрана оптимизация, то появляется окно (рисунок 2.3) свидетельствующее о процессе оптимизации. Этот процесс зависит от сложности схемы и может длиться несколько минут. По окончании процесса оптимизации появляется информационное окно изображенное на рисунке 2.4. В нем выводиться значения элементов, подвергнутые оптимизации. При желании их можно в нести в главную программу нажав Установить. Также в этом окне выводятся данные о количестве произведенных итераций, полученном значении целевой функции и максимальной неравномерности АЧХ выраженной в децибелах.

Рисунок 2.1 – Основное тело программы.

Рисунок 2.2 – Вспомогательное тело программы.

Рисунок 2.2 – Информационное окно 1.

Рисунок 2.4 – Информационное окно 2.

Как видно из рисунков программа OPITMAMP позволяет путем подбора коэффициента передачи найти заданную неравномерность наклона АЧХ.

2.2 Схема исследования

Схема по которой исследовались усилители с МКЦ представлена на рисунке 2.6.

Рисунок 2.5 – Схема исследования МКЦ.

Для анализа усилителя с МКЦ все элементы схемы рисунка 2.5 заменяем их схемами замещения, состоящих из R, L, C элементов и зависимых или независимых источников тока.

В качестве схемы замещения полевого транзистора используем схему представленной на рисунке 2.5 [37,40,41].

Рисунок 2.6 – Эквивалентная схема полевого транзистора.

Исследования проводились в двух диапазонах частот: 10-200 МГц на транзисторе КП907Б и 100-2000 МГц на транзисторе 3П602А. Значения элементов схемы замещения для этих двух транзисторов представлены в таблице 2.1 [37, 41]. У транзистора КП907Б отсутствуют значения элементов Lз, Lc, Lи, Rз, но, согласно [41], эти элементы из схемы замещения можно исключить.

Таблица 2.1 – Значения элементов схемы замещения транзисторов 3П602А и КП907Б.

Элемент	3П602А	КП907Б
Lз, нГн.	0,565	–––––
Lc, нГн.	0,33	–––––
Lи, нГн.	0,141	–––––
Сзи, пФ.	0,47	20
Сзс, пФ.	0,47	5
Сси, пФ.	0,02	13
Rз, Ом.	4	–––––
Rзи, Ом.	2,13	10
Rи, Ом.	2,2	0,6
Rc, Ом.	1,8	13
S, А/В.	0,1	0,15

Значения элементов Jg, Rg, Rн схемы исследования следующие:

Jg, A…………………………………………………………………...…….1,0

Rg, Ом……………………………………………………………………….50

Rн, Ом……………………………………………………………………….50

2.3 Сравнительный анализ МКЦ

Сравнительный анализ был проведен исходя из следующих критериев:

1. МКЦ должна обеспечивать максимальный коэффициент передачи по напряжению (далее коэффициент передачи) в заданной полосе частот.

2. При максимальном коэффициенте передачи неравномерность АЧХ не должна быть более ± 0.5 Дб.

Используя эти критерии применительно к наиболее часто используемым схемам усилителей с МКЦ [2 – 35], с помощью программы OPTIMAMP, был проведен их сравнительный анализ. Исследованные схемы изображены на рисунках 2.7 – 2.22 [2–35].