Расчет частотно-разделительных цепей многоканальных импульсных усилителейВ статье рассмотрены различные варианты построения двухканальных импульсных усилителей с использованием частотно-разделительных цепей (ЧРЦ), предложена схема многоканального усилителя, позволяющая полностью исключить искажения обусловленные разделением спектра усиливаемого сигнала, получены соотношения для расчета значении элементов частотно-разделительных цепей предлагаемого усилителя, приведены результаты эксперимента. Создание современных радиотехнических систем и устройств в ряде случаев связано с необходимостью применения в них усилителей импульсных сигналов с полосой рабочих частот от нуля либо единиц герц до десятков гигагерц. Реализация таких усилителей на основе одноканальных структур часто оказывается невозможной. Например, использование больших значений емкостей разделительных конденсаторов и индуктивностей дросселей питания для уменьшения нижней граничной частоты приводит к появлению некорректируемых паразитных резонансов в области сверхвысоких частот. Для устранения указанного недостатка в [1] предложено осуществлять построение сверхширокополосных импульсных усилителей на основе двухканальных структур с использованием ЧРЦ, успешно применяемых при реализации усилителей периодических сигналов [2-6]. Согласно [1] построение двухканального импульсного усилителя, в котором полностью отсутствуют искажения из-за разделения спектра усиливаемого сигнала, возможно при использовании ЧРЦ 1 -го порядка, стоящих на входе либо на выходе усилителя. Схема такого устройства приведена на рис. 1, где Σ - делитель мощности, УВЧ и УНЧ - усилители высоких и низких частот: С1, L1, - элементы ЧРЦ 1-го порядка.  Рис. 1 Действительно, полагая УВЧ и УНЧ идеальными, нормированную передаточную характеристику рассматриваемого усилителя можно записать в виде:  где а1=2С1Н; а2=L1НС1Н; b1=1,5C1Н+0,5L1Н; b2=L1НC1Н; C1Н=С1RН2πfСТ, L1Н=L12πfСТ/R1—нормированные относительно R1 и fСТ значения элементов С1, L1, RH - сопротивление нагрузки, fСТ—частота стыковки канальных усилителей [2]; p=iΩ, где Ω=ω/(2πfСТ)—нормированная частота; ω—текущая частота. Учитывая, что C1L1=1/(2πfСТ)2[2], из уравнений: a1=b1; L1НС1Н=1 получим условие отсутствия искажений амплитудно-частотной (АЧХ) и переходной (ПХ) характеристик усилителя:
Для реализации схемы на рис. 1 необходимо использовать сверхширокополосный делитель мощности с развязанными выходами. Поэтому в [1] предложено заменить делитель мощности на ЧРЦ 1-го порядка с частотой стыковки, в N раз меньшей частоты стыковки выходной ЧРЦ (рис. 2).  Рис. 2 При этом элементы выходной ЧРЦ выбираются из условия (1), а элементы входной ЧРЦ берутся равными: С2Н=NC1Н; L2Н=NL1Н; R1=Rг; R2>>Rг, где Rг— сопротивление генератора, С2Н, L2Н— нормированные относительно Rг и fСТ значения С2, L2. В этом случае нормированная передаточная характеристика усилителя (рис. 2)
где а1=N; a2=N; b1=1+N; b2=N. Из условий работы схемы следует, что верхняя граничная частота УНЧ fВУНЧ - больше или равна частоте стыковки выходной ЧРЦ, а нижняя граничная частота УВЧ fНУВЧ должна быть меньше или равна частоте стыковки входной ЧРЦ, т.е fВУНЧ и fНУВЧ связаны соотношением: fВУНЧ/fНУВЧ≥N. В соответствии с (2) полное отсутствие искажений АЧХ и ПХ возможно при N , стремящемся к бесконечности. В [1] предложено выбирать N =9. Как показывает анализ, в этом случае неравномерность АЧХ, обусловленная использованием ЧРЦ, равна 1 дБ, а отрицательный выброс ПХ составляет 8 %. Цель работы- исследование возможности минимизации взаимного перекрытия рабочих частот канальных усилителей двухканального импульсного усилителя с ЧРЦ при одновременном исключении искажений АЧХ и ПХ из-за разделения спектра усиливаемого сигнала. В рамках схемного решения, приведенного на рис. 2, взаимное перекрытие рабочих частот канальных усилителей может быть уменьшено при выборе С1Н, С2Н и R1, из условий: С1Н=С2Н=1; R1=Rг. В этом случае нормированная передаточная характеристика усилителя может быть представлена в виде:  где a1=2+L2Н; a2=2(1+L2H); a3=L1H+2L2H; a4=L1HL2H; b1=3+(L1H+L2H)/2; b2=L1H+L2H+(L1H+3)(L2H+3)/4; b3=(L1H+3)L2H/2+(L2H+3)L1H/2; b4=L1HL2H. Отсутствие искажений АЧХ и ПХ возможно при выполнении условий:
Однако система уравнений (3) не имеет решения. Поэтому целесообразно найти условия, при которых искажения минимальны. Эти условия соответствуют выбору L1H и L2H из решения первого и третьего уравнений (3):
Расчет элементов L1H и L2H по (4) соответствует величине необходимого взаимного перекрытия рабочих частот канальных усилителей: fВУНЧ/fНУВЧ=1/L1H=2,4142. Анализ рассматриваемого усилителя с выбором L1H и L2H из (4) показывает, что неравномерность АЧХ, обусловленная использованием ЧРЦ, равна 1 дБ, отрицательный выброс ПХ составляет 6 %, положительный 2 % . Полное устранение искажений АЧХ и ПХ из-за применения ЧРЦ при одновременном уменьшении взаимного перекрытия рабочих частот канальных усилителей до величины fВУНЧ/fНУВЧ=1 возможно в схеме многоканального усилителя (рис. 3).  Рис. 3 Для минимизации взаимного перекрытия рабочих частот УВЧ и УНЧ выберем нормированные значения С1, L1, C2 из условий:
В этом случае нормированная передаточная характеристика усилителя  где Полное отсутствие искажений АЧХ и ПХ соответствует выполнению условий:
Несмотря на то, что в системе четырех уравнений (6) имеется только три варьируемых параметра, она имеет единственное решение:
В соответствии с этим выбор нормированных значений элементов C1, C2, C3, L1, L2, R1 из условий (5), (7) позволяет полностью устранить искажения АЧХ и ПХ, обусловленные использованием ЧРЦ, и обеспечить взаимное перекрытие частот УВЧ и УНЧ равным единице. Схемное решение (рис. 3) может быть распространено и на случай многоканальной схемы построения импульсного усилителя (рис. 4). где ПУ - полосовой усилитель. Для трехканального варианта импульсного усилителя АЧХ канальных усилителей приведены на рис. 5, где АЧХ 1 - УВЧ; 2 - ПУ, 3 - УНЧ.  Рис. 4  Рис. 5 При заданных R1, RH, fНУВЧ, fВУНЧ, с учетом методики расчета полосовых фильтров [7] и соотношений (5) и (7), элементы схемы на рис. 4 рассчитываются по формулам:
В случае двухканального варианта импульсного усилителя (см. рис. 3) fНУВЧ=fВУНЧ и истинные значения элементов С1, С2, С3, L1, L2, R1, R2 также могут быть Для экспериментальной проверки теоретических исследований разработан двухканальный импульсный усилитель на транзисторах КТ399А и КТ315А, реализованный по схеме, приведенной на рис. 3. Принципиальная схема макета усилителя дана на рис. 6. Высокочастотный и низкочастотный канальные усилители выполнены с использованием схемных решений построения широкополосных усилительных каскадов, описанных в [8, 9]. Двухканальный усилитель имеет следующие характеристики: нижняя граничная частота 200 Гц, верхняя - 850 МГц; коэффициент усиления 6 дБ; частота стыковки канальных усилителей 40 МГц; время установления фронта импульса 0,5 нс; выброс переднего фронта импульса 7 %; выброс, обусловленный использованием ЧРЦ, 3 %; сопротивление генератора и нагрузки 50 Ом. Несовпадение значений элементов схемы макета усилителя со значениями элементов, получаемыми в соответствии с (7), вызвано необходимостью компенсации влияния реальных параметров канальных усилителей на работу схемы.  Рис. 6 Предлагаемое схемное решение построения многоканальных импульсных усилителей с ЧРЦ и методика расчета этих ЧРЦ позволяют минимизировать взаимное перекрытие рабочих частот канальных усилителей и исключить искажения АЧХ и ПХ, обусловленные разделением спектра усиливаемого сигнала. Литература
А.А. Титов
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||
