Содержание к диссертации
Введение
I .УСИЛИТЕЛЬ КАНА И ПРОБЛЕМЫ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ 14
I. I Принцип раздельного усиления ОМ сигнала . 14
1.2 Проблемы реализации усилителя Кана 17
1.3 Состояние теории анализа комбинационных искажений в усилителе Кана 22
1.4 Состояние теории анализа интермодуляционных искажений в усилителе Кана 28
2.НЕЛИНЕЙНАЯ МОДЕЛЬ УСИЛИТЕЛЯ КАНА 30
2.1 Структурная схема усилителя Кана 30
2.2 Разработка модели усилителя 37
2.3 Математическое описание модели 45
2.4 Определение спектра сигнала в НЧ тракте на входе идеального перемножителя .. 51
2.5 Определение спектра сигнала в ВЧ тракте на входе идеального перемножителя 55
2.6 Выводы 58
3. АНАЛИЗ КОМБИНАЦИОННЫХ ИСКАЖЕНИЙ В УСИЛИТЕЛЕ КАНА 59
3.1 Постановка задачи 59
3.2 Исследование влияния основных характеристик узлов усилителя на уровни комбинационных искажений 60
3.3 Анализ совместного влияния основных причин искажений в усилителе Кана 69
3.4 Методика определения допустимой нелинейности узлов усилителя 78
3.5 Экспериментальное исследование комбинационных искажений в усилителе Кана 83
3.6 Оценка точности вычисления комбинационных искажений в усилителе Кана по его модели 91
3.7 Выводы 93
4.ИНТЕМОДУЛЯЦИОННЫЕ ИСКАЖЕНИЯ В УСИЛИТЕЛЕ КАНА 96
4.1 Постановка задачи 96
4.2 Анализ интермодуляционных искажений в обобщённой схеме выходного тракта передатчика 99
4.3 Определение внутреннего сопротивления эквивалентного источника наведённого сигнала и его ЭДС 103
4.4 Определение параметрической проводимости на выходе системы сложения 105
4.5 Определение коэффициента интермодуляционных искажений... 106
4.6 Расчёт интермодуляционных искажений в ключевых усилителях 108
4.7 Расчёт интермодуляционных искажений в передатчике с ключевым усилителем мощности 119
4.8 Экспериментальное исследование интермодуляционных искажений передатчика с ключевым усилителем 128
4.9 Обоснование применимости результатов анализа интермодуляционных искажений для передатчика, использующего усилитель Кана 139
4.10 Сравнение уровней интермодуляционных искажений в ключевых усилителях и усилителях класса В 142
4.11 Выводы 143
5.ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ АНАЛИЗА В РАЗРАБОТКЕ УСИЛИТЕЛЬНОГО МОДУЛЯ KB ДИАПАЗОНА 145
5.1 Место исследований в разработке усилительного модуля 145
5.2 Обеспечение малой нелинейности основных узлов усилителя 146
5.3 Оценка и измерение результирующих искажений в усилителе Кана.. .. 166
5.4 Выводы 175
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 177
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ; 180
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 190
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 203
ПРИЛОЖЕНИЕ 3 215
ПРИЛОЖЕНИЕ 4 226
- Принцип раздельного усиления ОМ сигнала
- Структурная схема усилителя Кана
- Постановка задачи
- Анализ интермодуляционных искажений в обобщённой схеме выходного тракта передатчика
- Место исследований в разработке усилительного модуля
Принцип раздельного усиления ОМ сигнала
Известно, что такой сигнал содержит амплитудную и фазовую модуляцию. Множитель "XliL можно трактовать, как огибающую, содержащую информацию об амплитудных изменениях ОМ сигнала, а выражение COblWot + W; ] как фазомодулированную составляющую, несущую информацию о мгновенной фазе ОМ сигнала.
Эти положения легли в основу метода раздельного усиления составляющих ОМ сигнала, предложенного L.R. Kahn 1.17] . Если из сигнала, описанного выражением (1.3), выделить огибающую и фазомодулированную составляющую (будем называть её ВЧ составляющей), усилить их в раздельных усилителях и затем перемножить, то на выходе получим усиленный ОМ сигнал. На рис.1.1 приведена структурная схема устройства, реализующего описанный алгоритм раздельного усиления составляющих ОМ сигнала. Здесь ОМ сигнал, сформированный на низком уровне, подаётся на два тракта - низкочастотный (НЧ) и высокочастотный (ВЧ). В НЧ тракте с помощью амплитудного детектора (I) выделяется огибающая входного сигнала,
Для получения высокой энергетической эффективности всего устройства необходимо обеспечить высокий КПД обоих трактов усиления. Для ВЧ тракта эта задача решается путём применения ключевых режимов работы усилительных приборов, что позволяет получить элект« ронный КПД до 90% на частотах KB диапазона [4,40,41,42]. Учитывая тот факт, что современные мощные биполярные транзисторы позволяют реализовывать ключевые каскады в KB диапазоне с коэффициентом усиления мощности IL 20, промышленный электронный КПД многокаскадного ВЧ тракта может быть не менее 80-85%.
Как было показано в [26], в качестве перемножителя целесообразно применить каскад с коллекторной модуляцией, работающий в ключевом режиме. В этом случае от НЧ тракта требуется значительная выходная мощность, поэтому КПД этого тракта существенно сказывается на общем КПД усилителя. Применение здесь ШЙМ усилителя (т.е. ключевых режимов работы усилительных приборов) позволяет получить промышленный КПД НЧ тракта не хуже 85-90% [43,37,44,68].
В результате промышленный электронный КПД такого усилителя составит 70-80%, а средний промышленный КПД по первой гармонике 50 60% f20,21j, что примерно в 2 раза выше, чем в усилителе класса В. Следует отметить, что тепловой режим активных приборов,определяемый электронным КПД, в усилителе Кана в 5-6 раз легче, чем в усилителе класса В, что предполагает более высокую надёжность работы усилителя [б].
Таковы основные принципы построения усилителя Кана, имеющего высокую энергетическую эффективность. Однако практическая реализация такого усилителя сопряжена с рядом трудностей, ограничивал 17 ющих его частотные, энергетические и качественные характеристики.
Структурная схема усилителя Кана
Структура реального усилителя, принцип которого изложен в главе І, зависит как от условий эксплуатации, так и от элементной базы, на которой строится этот усилитель.
Первая попытка реализации усилителя Кана согласно структурной схеме рис.1.1 описана в [18]. Здесь ВЧ тракт вместе с перемножителем был реализован на ламповых резонансных каскадах, работающих в классе С. НЧ тракт был выполнен как усилитель класса В. Экспериментальные измерения характеристик такого усилителя, приведённые в этой работе, показали, что его энергетическая эффективность ниже, чем в обычном усилителе модулированных колебаний класса В. Там же показано, что обеспечение высоких качественных показателей требует вьшолнения специфических условий для НЧ тракта, таких как обеспечение большой широкополосности и выполнение его как УПТ.
Появление транзисторов в радиопередающих устройствах вызвало новые предложения по реализации усилителя Кана [ 20,12,21]. Так, в качестве НЧ тракта был предложен усилитель с ШИМ преобразованием, а в ВЧ тракте транзисторные усилители с ключевым режимом работы усилительных элементов.
В качестве перемножителя здесь используется каскад в ключевом режиме с коллекторной модуляцией. В таких каскадах при изменении коллекторного напряжения и неизме -нном напряжении возбуждения меняется избыточный заряд, накопленный в области коллектора транзистора [65 J , что ведёт к изменению времени рассасывания этого заряда, т.е. к изменению скважности импульсов коллекторного напряжения и, как следствие, к амплитудной нелинейности и амплитудно-фазовой конверсии (АШ).
Для уменьшения этого эффекта целесообразно применить подмоду-ляцию модулируемого каскада путём изменения уровня возбуждения в такт с изменением напряжения коллекторного питания [12]. Практически это осуществляется путём введения неглубокой коллекторной модуляции предоконечного каскада.
Для этого напряжение коллекторной модуляции предоконечного каскада целесообразно получать от отдельного усилителя огибающей. Такая мера позволяет существенно снизить уровень АФК и нелинейность АХ перемножителя [36].
В результате структурная схема усилителя Кана примет вид приведённый на рис.2.1. Здесь НЧ тракт содержит два канала усиления. Один канал служит для усиления сигнала, предназначенного для кол лекторной модуляции мощного выходного ВЧ каскада (10) (модулятор). Другой канал обеспечивает необходимый уровень сигнала для неглубокой модуляции предоконочного ВЧ каскада (9) (подмодулятор).
Перемножителем здесь следует считать выходной и предвыходной ВЧ каскады, совместно выполняющие задачу линейной коллекторной модуляции. Основным специфическим требованием здесь является необходимость обеспечения одинаковой задержки сигнала в обоих каналах усиления НЧ тракта. При невыполнении этого условия коэффициент насыщения транзисторов выходного каскада будет зависеть от величины и знака производной огибающей, что приведёт к дополнительным искажениям усиливаемого сигнала. Соблюдение этого условия при условии широкополосности ВЧ каскадов позволяет рассматривать такой перемножитель как единый шестиполгасник.
Амплитудный детектор (I), выделяющий огибающую ОМ сигнала, может быть выполнен либо общим для обоих каналов усиления НЧ тракта, либо раздельным для обеспечения необходимого режима работы модулятора и подмодулятора (что, в частности, может облегчить введение частотной коррекции в подмодулятор). Применение усилителя ШИМ в НЧ тракте обуславливает наличие генератора линейно изменяющегося напряжения (2). Для образования ШИМ-последовательности в каждом канале усиления НЧ тракта применяется отдельный компаратор (К1,К2). Усиление ШИМ-сигнала осуществляется ключевыми усилителями ( 3,4). Фильтры (5,6) служат для выделения из ШИМ-последовательности усиленного сигнала огибающей.
Высокочастотный тракт содержит амплитудный ограничитель (7), служащий для выделения ВЧ составляющей и предварительный ключевой ВЧ усилитель (8).
Постановка задачи
Как обсуждалось в главе 2, на искажения сигнала в усилителе Кана влияет большое количество различных характеристик узлов, которые в общем случае могут принимать произвольные значения. Всесторонний анализ искажений в этом случае требует неоправданно большого количества времени работы ЭВМ, поскольку могут исследоваться и практически нереализуемые характеристики.
Для выяснения основных особенностей взаимодействия различных характеристик при воздействии совокупности факторов целесообразно использовать типичные средние характеристики, полученные в ранее проведённых исследованиях [ 74,75,76,68,34J.
Сначала необходимо исследовать искажения, вносимые каждой причиной в отдельности. Хотя этот анализ (см.главу I) не даёт полного описания нелинейных свойств усилителя, однако он позволяет оценить нелинейность каждого узла применительно к использованию его в усилителе Кана. Отсюда, при известных требованиях на искажения, определяемые этим узлом, можно выбрать необходимые его параметры.
Целью этих исследований является, во-первых, получение ряда зависимостей, которые повторяют расчёты, проведённые ранее в работах [25,26,27]. Сюда относится анализ влияния на искажения АН и ухода нулевого уровня НЧ тракта усилителя, а также АФК в его ВЧ тракте. Это необходимо для проверки правильности аналитического аппарата расчёта искажений, разработанного в главе 2.
Во »вторых, ряд расчётов направлен на расширение и углубление анализа влияния характеристик усилителя на комбинационные искажения. Это относится, прежде всего, к исследованию влияния различных классов Ш1 Щ тракта усилителя. В третьих, получены новые зависимости искажений от такой ра-нее не исследованной причины, как конечная глубина ограничения сигнала в АО.
В дальнейшем целесообразно исследовать совокупность факторов, порождающих искажения, что позволит наложить обоснованные требования на характеристики каждого узла при заданных результирующих искажениях всего усилителя.
Анализ интермодуляционных искажений в обобщённой схеме выходного тракта передатчика
Проведём анализ схемы рис.4.3 методом обобщённого преобразования Лапласа для нестационарных цепей, разработанным в [ 84,85, 86,87]. Этот метод даёт возможность непосредственно определить спектральный состав напряжения Utf) не задаваясь конкретным выражением для Z(u ) и Get) .
Из введённых ранее допущений следует, что параметрическая проводимость Gti) является активной, откуда естественно предположить устойчивость исследуемого типа параметрической цепи. В этом случае частное минора и определителя сходится к конечной величине. Поэтому всегда можно использовать для вычисления конечной определитель, полученный путём окаймления его центрального члена. Объём вычислительных работ и заранее неизвестная связь точности вычислений с рангом окаймлённого определителя требуют использования ЭШ.
Для получения численных значений уровней интермодуляционных составляющих необходимо, используя конкретную структуру передатчика, определить сопротивление эквивалентного источника Z(u )t его ЭДС Еси п) и параметрическую проводимость &it). После нахождения Utt) нужно определить ток в сопротивлении излучения антенны, вызываемый этим напряжением.
Место исследований в разработке усилительного модуля
G 1974 по 1983г. в отраслевой лаборатории связных транзистори, ных передатчиков научно-исследовательского сектора МЭИС проводи- лись работы по заказу промышленности с целью создания усилитель- ных модулей ОМ сигнала различных частотных диапазонов и различного назначения. Специфическими требованиями к этим модулям являют- ся необходимость реализации высокого среднего промышленного КПД усилителя, обеспечение высоких качественных показателей в большом диапазоне температур окружающей среды, широком диапазоне рабочих частот и изменения сопротивления нагрузки.
На основе сравнительного анализа различных реализаций усилите- ля ОМ сигнала [30,31,32 \ было принято решение о разработке уси» лителя Кана, как обещающего выполнение весьма противоречивых раз нообразных требований к усилителю, определяемых техническим зада« нием.
Разработка ряда вопросов реализации таких усилителей и явилось основой исследований, проведённых в настоящей диссертации.
Наиболее полно результаты исследований автора использованы при разработке усилительного модуля KB диапазона, который послужил прототипом для изготовления конструктивного образца усилительного модуля, выполненного на промышленном предприятии.
Разработка усилителя была разбита на два основных этапа. На пер вом этапе разрабатывались различные схемы решения основных узлов, проводились их сравнительная оценка, в том числе и по характеристи кам, вносящим наименьшие искажения ОМ сигнала. Второй этап включал в себя конструктивную проработку отдельных узлов и усилителя в це« лом, его макетирование, испытание и доводку характеристик макета до уровня, определяемого его техническим заданием.
Результаты исследований, проведённых в диссертации, были использованы как на первом этапе разработки усилителя при оценке нелинейности его основных узлов, так и на втором этапе при исследовании комбинационных и интермодуляционных искажений в усилителе в целом.
