Компьютерные технологии проектирования усилителей мощности телевизионных радиопередатчиков: Учебное пособие

В.Л. Карякин

КОМПЬЮТЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ УСИЛИТЕЛЕЙ МОЩНОСТИ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ РАДИОПЕРЕДАТЧИКОВ УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ ДЛЯ ВУЗОВ

«Рекомендовано УМО по образованию в области телекоммуникации в качестве учебного пособия» для студентов, обучающихся по направлению 654400 – Телекоммуникации и специальности 201100 – Радиосвязь, радиовещание и телевидение

«РАДИО И СВЯЗЬ» МОСКВА 2002

УДК 621.396.61.001.2(075.8) ИБ № 3080 Рецензенты: д.т.н., профессор В.Ф. Дмитриков, к.т.н., доцент В.А. Глазунов Компьютерные технологии проектирования усилителей мощности телевизионных радиопередатчиков: Учебное пособие для вузов/ В.Л. Карякин.- М: Радио и связь, 2002.- 120с. ISBN 5-256-01661-X Рассмотрены методы построения усилителей мощности телевизионных радиопередатчиков. Приводятся схемы транзисторных усилителей мощности в режимах класса А и АВ. Основное внимание уделяется методам анализа и синтеза цепей согласования в микрополосковом исполнении генераторов с внешним возбуждением. Даны основные технические характеристики зарубежных транзисторов, предназначенных для работы в телевизионных передатчиках мощностью от 0,5 до 100 Вт. Разработаны методические указания по использованию пакета Microwave Office 2001 при проектировании однотактных и двухтактных усилителей мощности, а также методические указания к лабораторной работе «Исследование усилителей мощности телевизионных передатчиков в режимах класса А и АВ». Учебное пособие предназначено для студентов ВУЗов, обучающихся по направлению 654400 – Телекоммуникации и специальности 201100 – Радиосвязь, радиовещание и телевидение. Ил. 119. Библ. 10 назв. Учебное издание Карякин Владимир Леонидович Компьютерные технологии проектирования усилителей мощности телевизионных радиопередатчиков Учебное пособие Компьютерное редактирование – Д.В. Карякин, В.В. Карякин

Издательская лицензия № 010164 от 29.01.97 г. Подписано в печать 09.09.2002 ISBN 5-256-01661-X

© Карякин В.Л., 2002

2

Содержание Введение………………………………………………………………….. 1.

5

Mетоды построения усилителей мощности телевизионных передатчиков……………………………………………………………..

7

1.1. Общие сведения…………………………………………………………..

7

1.2. Структурная схема однотактного усилителя мощности……………….

11

1.3. Методы построения принципиальных схем однотактных 1.4. 2.

усилителей мощности…………………………………………………….

14

Схемы двухтактного усилителя мощности…………………………….

18

Элементная база усилителей мощности телевизионных передатчиков……………………………………………………………….

30

Анализ характеристик зарубежных транзисторов……………………..

30

2.1.1. Транзисторы однотактных схем усилителей мощности……………….

30

2.1.2. Транзисторы двухтактных схем усилителей мощности……………….

43

2.1.

3.

Исследование однотактных усилителей мощности с использованием пакета программ Microwave Office 2001………….

56

3.1. Методические указания по использованию пакета Microwave Office 2001…………………………………………………….

56

3.1.1. Исходные данные…………………………………………………………

60

3.1.2. Исследование входной цепи согласования усилителя мощности…….

62

3.1.3. Исследование выходной цепи согласования усилителя мощности…...

73

3.1.4. Разработка топологии печатной платы микрополосковой конструкции усилителя мощности………………………………………

78

3.1.5. Оценка энергетических характеристик усилителя мощности………...

81

3.2. Методические указания к лабораторной работе «Исследование усилителя мощности в режиме класса А »……………. 4.

86

Исследование двухтактных усилителей мощности

3

с использованием пакета программ Microwave Office 2001………….

89

4.1. Методические указания по использованию пакета Microwave Office 2001…………………………………………………….

89

4.1.1. Исходные данные…………………………………………………………

90

4.1.2. Исследование входной цепи согласования усилителя мощности……..

91

4.1.3. Исследование выходной цепи согласования усилителя мощности…………………………………………………………………..

107

4.1.4. Разработка топологии печатной платы микрополосковой конструкции усилителя мощности……………………………………..

112

4.1.5. Оценка энергетических характеристик усилителя мощности………...

115

4.2.

Методические указания к лабораторной работе «Исследование усилителя мощности в режиме класса АВ »…………..

116

Литература…………………………………………………………………

119

4

Компьютерные технологии проектирования усилителей мощности телевизионных радиопередатчиков

Введение Прогресс в технике радиопередающих устройств за последние годы, возникновение новых технических направлений, появление новой элементной базы, широкое использование компьютеров в учебном процессе – все это приводит к необходимости внедрения в учебный процесс принципиально новых компьютерных технологий проектирования радиопередатчиков. В настоящее время появилась возможность выбора между отечественной и зарубежной элементной базой, а это играет большую роль при проектировании и производстве телевизионной техники в целом. Сейчас на рынке России присутствуют мощные линейные транзисторы для телевизионных передатчиков таких фирм как: Philips Semiconductors, GHz Technology, Tandberg и др. зарубежных производителей. Отечественное производство мощных транзисторов сосредоточено в г. Воронеже. Сложившиеся условия позволяют варьировать между ценой и качеством транзисторов. Импортная элементная база более дорогая, но имеет лучшие технические характеристики, и, что очень важно для разработчиков аппаратуры, сопровождается стандартам.

полной

С

высокочастотных

технической

документацией

применением

зарубежных

компонентов,

а

также

по

международным

высокочастотных

новых

технологий

и

сверх

монтажа

и

проектирования становится возможным создание отечественных устройств, не уступающих по своим техническим параметрам зарубежным аналогам. Однако

новые

технологии

в

проектировании

и

изготовлении

радиопередающих устройств в учебной литературе освещены недостаточно полно.

Методика

проектирования

радиопередатчиков

на

отечественной

элементной базе наиболее полно изложена в [1], но она не позволяет в полной мере реализовать возможности зарубежной элементной базы, а также не Карякин В.Л.

5

Компьютерные технологии проектирования усилителей мощности телевизионных радиопередатчиков

ориентирована на компьютерное моделирование. Эффективным способом решения задач проектирования передатчиков

является использование пакета

программ Microwave Office 2001 [2]. Основными задачами данного учебного пособия являются разработка новых компьютерных

технологий

анализа

и

синтеза

усилителей

мощности

телевизионных радиопередатчиков, внедрение в учебный процесс методики проектирования аппаратуры на зарубежной элементной базе.

Карякин В.Л.

6

Компьютерные технологии проектирования усилителей мощности телевизионных радиопередатчиков

1. Mетоды построения усилителей мощности телевизионных передатчиков 1.1. Общие сведения При телевизионном вещании на вход телевизионного передатчика поступают информационные

сигналы

изображения

и

звукового

сопровождения.

В

телевизионном передатчике полный цветовой сигнал изображения и сигнал звукового

сопровождения

преобразуются

в

радиосигнал

вещательного

телевидения заданного уровня мощности со стандартными параметрами. При передаче изображения используют амплитудную модуляцию с частично подавленной нижней боковой полосой. Этот сигнал занимает относительно несущей частоты изображения f НЕС .ИЗ . полосу от f НЕС .ИЗ . - 0,75 МГц до f НЕС .ИЗ . + 6 МГц. Сигнал звукового сопровождения передается с помощью частотной модуляции. Центральная частота

радиосигнала звукового сопровождения

f НЕС .ЗВ. расположена на 6,5 МГц выше f НЕС .ИЗ . . Таким образом, полная полоса частот, отводимая для радиосигнала телевизионного вещания, составляет 8 МГц (рис.1.1).

Рисунок 1.1 Для наземного телевизионного вещания в России выделены следующие диапазоны частот (МГц) : I

- 48,5……..66;

IV - 470……..582; Карякин В.Л.

7

Компьютерные технологии проектирования усилителей мощности телевизионных радиопередатчиков

II - 76,0…….100; V - 582…….870. III - 174……..230; В этих диапазонах размещены 70 телевизионных радиоканалов, частоты которых приведены в таблице 1.1. Кроме того, в диапазоне 2…..3 ГГц выделены полосы телевизионных каналов для системы распределения программ MMDS (Multichannel Multipoint Distribution Sustem). Таблица 1.1 Номер канала

Полоса частот

Несущая изображения МГц

Номер канала

Полоса частот

канала, МГц

канала, МГц

Несущая изображения МГц

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39

48,5…56,6 58,0…66,0 76,0…84,0 84,0…92,0 92,0…100,0 174,0…182,0 182,0…190,0 190,0…198,0 198,0…206,0 206,0…214,0 214,0…222,0 222,0…230,0 470,0…478,0 478,0…486,0 486,0…494,0 494,0…502,0 502,0…510,0 510,0…518,0 518,0…526,0 526,0…534,0 534,0…542,0 542,0…550,0 550,0…558,0 558,0…566,0 566,0…574,0 574,0…582,0 582,0…590,0 590,0…598,0 598,0…606,0 606,0…614,0 614,0…622,0

49,75 59,25 77,25 85,25 93,25 175,25 183,25 191,25 199,25 207,25 215,25 223,25 471,25 479,25 487,25 495,25 503,25 511,25 519,25 527,25 535,25 543,25 551,25 559,25 567,25 575,25 583,25 591,25 599,25 607,25 615,25

40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70

622,0…630,0 630,0…638,0 638,0…646,0 646,0…654,0 654,0…662,0 662,0…670,0 670,0…678,0 678,0…686,0 686,0…694,0 694,0…702,0 702,0…710,0 710,0…718,0 718,0…726,0 726,0…734,0 734,0…742,0 742,0…750,0 750,0…758,0 758,0…766,0 766,0…774,0 774,0…782,0 782,0…790,0 790,0…798,0 798,0…806,0 806,0…814,0 814,0…822,0 822,0…830,0 830,0…838,0 838,0…846,0 846,0…854,0 854,0…862,0 862,0…870,0

623,25 631,25 639,25 647,25 655,25 663,25 671,25 679,25 687,25 695,25 703,25 711,25 719,25 727,25 735,25 743,25 751,25 759,25 767,25 775,25 783,25 791,25 799,25 807,25 815,25 823,25 831,25 839,25 847,25 855,25 863,25

Карякин В.Л.

8

Компьютерные технологии проектирования усилителей мощности телевизионных радиопередатчиков

Радиосигнал изображения образуется с помощью амплитудной модуляции несущей канала изображения полным телевизионным сигналом, причем максимум мощности соответствует синхроимпульсу, а минимум – уровню белого, т.е. модуляция оказывается негативной (рис.1.2).

Рисунок 1.2 В модулированном колебании должны быть строго фиксированы пиковый уровень (уровень синхроимпульсов), уровень гасящих импульсов, который должен составлять 75% от пикового значения и одновременно должен быть выше уровня черного на 0….4,5 %, и уровень белого, который должен составлять 12,5….2,5% пикового. При этом интервал изменения сигнала изображения от белого до черного занимает только 55…67% амплитудной характеристики передатчика. Радиосигнал изображения формируется в возбудителе телевизионного передатчика. Усилитель мощности канала изображения работает в режиме

Карякин В.Л.

9

Компьютерные технологии проектирования усилителей мощности телевизионных радиопередатчиков

усиления модулированных колебаний и обеспечивает требуемую мощность на выходе телевизионного передатчика. Транзисторные усилители мощности телевизионных передатчиков образуют многокаскадный тракт усиления от выхода возбудителя до входа фидера. Общее число каскадов усиления зависит от выходной мощности передатчика, диапазона рабочих частот, а также от выбора элементной базы (отечественной или зарубежной).

В

маломощных

предварительных

каскадах

усиления

(ориентировочно единицы Вт) транзисторы целесообразно использовать в режиме А.

В выходных мощных каскадах телевизионного передатчика используются

сдвоенные транзисторы, работающие по двухтактной схеме включения в режиме АВ. В настоящее время российские производители передатчиков используют как отечественные, так и зарубежные биполярные транзисторы. Отечественная промышленность сверхлинейных

в

последние

годы

наладила

выпуск

специальных

транзисторов для усилителей мощности телевизионных

передатчиков. К ним относятся транзисторы малой и средней мощности КТ983А, КТ983Б,

КТ983В,

КТ996А,

КТ996Б, КТ9116А, КТ9116Б, КТ9133,

КТ9150, КТ9194,

мощные КТ9142А, КТ9152А, КТ9155Б, КТ9155В. Мощные

приборы предназначены для использования в двухтактных схемах и состоят из двух транзисторов, размещенных в одном корпусе. Такие транзисторы получили название балансных. Балансными называют и двухтактные схемы, построенные на них. Некоторые зарубежные фирмы в усилителях мощности используют специально разработанные линейные полевые транзисторы. Транзисторы малой и средней мощности используются в однотактных усилителях мощности в режиме А. Существенным недостатком отечественной элементной базы усилителей мощности телевизионных передатчиков является отсутствие у разработчиков транзисторов полной технической документации на изготавливаемую ими продукцию, что в целом усложняет процесс проектирования, приводит к Карякин В.Л.

10

Компьютерные технологии проектирования усилителей мощности телевизионных радиопередатчиков

дополнительным затратам времени на изготовление опытных образцов. Разброс параметров отечественных транзисторов не позволяет автоматизировать процесс производства усилителей. Зарубежная элементная база свободна от этих недостатков, однако стоимость современных мощных транзисторов для усилителей телевизионных передатчиков колеблется в зависимости от мощности прибора от нескольких десятков до несколько сотен

долларов. В этой связи для повышения надежности

разрабатываемых устройств и уменьшения затрат на экспериментальную отладку необходима тщательная проработка конструкции усилителей мощности на этапе проекта.

1.2. Структурная схема однотактного усилителя мощности Усилитель

мощности

произвольной формы с

при

подаче

на

вход

периодического

частотой основной гармоники f 0

сигнала

вырабатывает на

выходе близкое к гармоническому колебание с той же частотой. Амплитуда выходного колебания в общем случае не пропорциональна амплитуде входного воздействия. Например, в передатчиках с частотной и фазовой модуляцией используются нелинейные режимы (режимы с отсечкой выходного тока активного элемента) для получения высокого коэффициента полезного действия. В телевизионных передатчиках одним из основных требований к усилителям мощности канала изображения является обеспечение линейного режима усиления модулированных по амплитуде колебаний. Основными энергетическими характеристиками УМ являются максимальная выходная мощность, коэффициент усиления по мощности полезного

действия.

Кроме

того,

усилитель

K p и коэффициент

характеризуется

полосой

пропускания, неравномерностью АЧХ и ФЧХ в этой полосе, степенью подавления нежелательных составляющих спектра,

видом амплитудной характеристики,

уровнем шумов и другими показателями. Карякин В.Л.

11

Компьютерные технологии проектирования усилителей мощности телевизионных радиопередатчиков

Структурная схема однотактного усилителя мощности случае содержит активный элемент (АЭ), входную

(рис. 1.3) в общем

(ЦСвх) и выходную (ЦСвых)

цепи согласования, а также цепи блокировки по напряжению питания (ЦБП) и по напряжению смещения (ЦБС). Требования к усилителю по выходной мощности, коэффициенту усиления K p и КПД выполняются в первую очередь выбором типа АЭ и его режима. Однако реализация режима, обеспечивающего необходимые

K p , мощность, КПД,

возможна лишь при правильном выборе типа и параметров цепей согласования. Рассмотрим функции выходной ЦС. В первую очередь ЦСвых обеспечивает трансформацию сопротивления нагрузки усилителя в оптимальное сопротивление нагрузки АЭ для основной частоты колебаний. Критерии оптимизации нагрузки могут быть различными, например достижение максимальной мощности, КПД или усиления. Обычно на практике стремятся найти компромиссное решение: получить заданную мощность при достаточно высоких значениях КПД и K p . Существенно повысить КПД УМ можно, обеспечив негармонические формы напряжения и тока на выходе АЭ, т. е. используя высшие гармоники в спектрах тока и напряжения. Для создания таких форм необходима определенная частотная характеристика ЦСвых. Таким образом, в ключевых усилителях удается повысить КПД до 90% и более.

Рисунок 1.3

Карякин В.Л.

12

Компьютерные технологии проектирования усилителей мощности телевизионных радиопередатчиков

КПД усилителей мощности телевизионных передатчиков работающих в линейном режиме А, как правило, не превышает 10%. В выходных каскадах передатчиков ЦСвых частично решает задачу фильтрации гармоник на выходе. Требования к уровню побочных составляющих на выходе передатчика зависят от его назначения. В большинстве случаев допустимый уровень побочных составляющих спектра на выходе должен быть не хуже —60 дБ. При очень жестких требованиях к фильтрации приходится после ЦСвых включать специальный фильтр, дополнительно ослабляющий уровень побочных излучений. Входная ЦСвх трансформирует входное сопротивление

АЭ в оптимальное

сопротивление нагрузки для источника возбуждения. Кроме того, от нее зависят формы входного напряжения и тока АЭ. От этого, в свою очередь, зависит форма выходного тока АЭ и, как следствие, энергетика и качественные показатели всего усилителя. Подробнее функции ЦС будут рассмотрены ниже. Цепи блокировки также имеют многоцелевое назначение. В одних схемах они предотвращают короткое замыкание по высокой частоте выхода и входа АЭ через источники напряжений питания (ИП) и смещения (ИС), в других—включение сопротивлений цепей питания последовательно с нагрузкой. Кроме того, они должны ослаблять паразитные связи между каскадами по общим цепям питания и смещения. В каскадах большой мощности дополнительные блокировочные конденсаторы защищают измерительные приборы в цепях питания от токов высокой частоты. Нагрузка выходного УМ передатчика в простейшем случае представляет собой входное сопротивление антенны. Выход передатчика значительной мощности обычно нагружен на фидерную линию, соединяющую передатчик с антенной. При испытаниях и настройке передатчика в качестве нагрузки может использоваться ее эквивалент, например, отдельный резистор. Каждый промежуточный УМ многокаскадного тракта нагружен на входное сопротивление АЭ следующего каскада. Характерными особенностями реальных Карякин В.Л.

13

Компьютерные технологии проектирования усилителей мощности телевизионных радиопередатчиков

нагрузок УМ являются их комплексный характер, зависимость от частоты, в ряде случаев нелинейность, что существенно усложняет задачу создания УМ, работающего в диапазоне частот и с разными уровнями амплитуд колебаний. Источником возбуждения УМ в многокаскадном тракте служит предыдущий каскад, работающий чаще всего в режиме усиления мощности или умножения частоты. Следует отметить, что современные усилители мощности радиопередатчиков имеют блочную конструкцию со стандартными входными и выходными сопротивлениями 50 Ом. Такая конструкция высокочастотных блоков позволяет создавать из них высокочастотные модули на транзисторах мощностью 200…300 Вт. Объединяя стандартные модули, получают выходные мощности передатчиков в единицы киловатт и более.

1.3. Методы построения принципиальных схем однотактных усилителей мощности В современных передатчиках, и в первую очередь в транзисторных, межкаскадные цепи строят в виде Г-, П- и Т-образных контуров. Согласующие Г-, Т-, П-цепочки выполняются в виде ФНЧ: в продольных ветвях включаются индуктивности, в поперечных — емкости (рис. 1.4). При этом обеспечивается лучшая

фильтрация

гармоник

и

одновременно

выходные

емкости

и

индуктивности выводов транзисторов сравнительно просто включаются в соответствующие LC-элементы либо образуют отдельные согласующие звенья. Наконец, такие колебательные цепи довольно легко реализуются в виде как сосредоточенных элементов на частотах до 10...18 ГГц (при небольших уровнях токов, напряжений и реактивной мощности), так и распределенных на основе микрополосковых линий на частотах свыше 100...300 МГц. Согласующая Г-цепочка обеспечивает заданную трансформацию резистивных сопротивлений R2 в R1 на заданной частоте ω (на рис. 1.4а R1 > R2). Согласующие

Карякин В.Л.

14

Компьютерные технологии проектирования усилителей мощности телевизионных радиопередатчиков

Т- и П-цепочки (рис.1.4б,в) строятся в виде последовательного соединения двух Г-образных

цепочек,

поэтому

допускается

произвольное

соотношение

сопротивлений (R1 больше или меньше R2). Правая цепочка трансформирует R2, в некоторое сопротивление R0, а левая R0 - в R1. В П-цепочке R(п)0 выбирается меньше меньшего из R1 и R2, наоборот, в Т-цепочке R(т)0 - больше большего из R1 и R2 (см. рис. 1.4д). Таким образом, Т- и П-цепочки трансформируют «скачкообразно» R2 в R0 и затем R0 в R1,

в отличие от одной или от двух

последовательно

у

включенных

Г-цепочек,

которых

промежуточное

со-

противление R(г)0 можно выбирать близким к среднегеометрическому R(г)0= R1R 2 (см. рис. 1.4д). Поскольку потери в Г-цепочке минимально возможные и пропорциональны коэффициенту трансформации r= R1/R2, то переход от Г- к П-или Т-цепочке ведет к значительному возрастанию потерь относительно минимальных (в 3...5 раз и более). Поэтому переход от Г- к П- и Т-цепочкам целесообразен только с целью повышения фильтрации высших гармоник, удобства настройки и перестройки, необходимости учета емкостей

и индуктивностей

выводов

транзисторов и ламп в L и С-элементах их согласующих цепей. В частности, при уменьшении R(п)0 в П-цепочке или увеличении R(т)0 в Т-цепочке ценой увеличения в них потерь возрастают их резонансные свойства, сужается полоса пропускания, но увеличивается фильтрация высших гармоник.

Рис. 1.4. Согласующие цепочки на реактивных LC-элементах :

Карякин В.Л.

15

Компьютерные технологии проектирования усилителей мощности телевизионных радиопередатчиков

а — Г-цепочка; б — Т-цепочка; в — П-цепочка: г — Г-цепочка с увеличенной индуктивностью; д — диаграмма трансформации сопротивлений В транзисторных каскадах наряду с П-цепочками часто применяют Г- и Тцепочки. Индуктивности выводов транзистора и паразитные индуктивности других элементов схемы (резисторов, разделительных конденсаторов) и монтажа учитываются в индуктивностях (или образуют индуктивности Г- и Т-цепочек). Пример использования в качестве межкаскадной колебательной цепи двух последовательно включенных Г-образных цепочек приведен на рис. 1.5д. Две цепочки последовательно трансформируют резистивную составляющую входного сопротивления второго транзистора в оптимальное нагрузочное сопротивление для первого транзистора. Часто генератор (одно- или многокаскадный) выполняется в виде отдельного законченного блока (модуля). В этом случае на входе первого каскада устанавливаются цепочки для согласования с волновым сопротивлением кабеля, подключающего возбудитель, а на выходе последнего каскада ставят цепочку для согласования с кабелем, идущим к нагрузке. Примеры построения таких цепочек показаны на рис. 1.5 б,в.

Рисунок 1.5. Схемы входных, межкаскадных и выходных цепей связи транзисторных УМ Карякин В.Л.

16

Компьютерные технологии проектирования усилителей мощности телевизионных радиопередатчиков

Согласующие Г-,Т-, П-цепочки трансформируют произвольные нагрузочные сопротивления на одной частоте. Практически полоса пропускания в генераторах с такими цепочками может составлять 10...20%. При более широкой полосе, когда коэффициент перекрытия по частоте Кf =fв/fн >1….1,2, ЦС выполняют в виде НЧ фильтров

—

ФНЧ-трансформаторов,

которые

представляют

(рис.1.5а)

последовательное соединение нескольких Г-цепочек. Этот трансформатор также обеспечивает произвольную трансформацию резистивных сопротивлений Rн в Rвх с некоторым допустимым отклонением ∆Z вх относительно Rвх в рабочей полосе частот от ω н до ω в) и одновременно фильтрацию на частотах ω > ω в. Чем больше (или меньше) коэффициент трансформации r =Rвх /Rн отличается от единицы, чем меньше допустимое отклонение ∆Z вх и чем больше коэффициент перекрытия по частоте Кf тем требуется большее число Г-цепочек, т. е. сложнее получается ФНЧ- трансформатор и труднее его настраивать. Поэтому практически ФНЧтрансформаторы применяют при r < 10 или r > 0,1 и Кf< 2...3. При этом число LCэлементов ФНЧ-трансформатора не должно превышать 6 — 8. Примером использования ФНЧ-трансформатора может служить схема на рис. 1.5а.

Карякин В.Л.

17

Компьютерные технологии проектирования усилителей мощности телевизионных радиопередатчиков

1.4. Схемы двухтактного усилителя мощности Структурная схема двухтактного УМ в общем виде приведена на рис. 1.6.

Рисунок 1.6 В идеальном случае напряжения на входах АЭ сдвинуты по фазе на половину периода рабочей частоты:

′ (t ) = e′ВХ ′ (t + 0,5T ) e′ВХ

(1.1)

Этот сдвиг осуществляется фазосдвигающей цепью, создающей из входного напряжения

eВХ

два

противофазных

напряжения e′ВХ

и

′ . Для e′ВХ

определенности примем, что усилитель собран на биполярных транзисторах (рис. 1.6). В случае идентичных транзисторов выходные (коллекторные) токи при входных напряжениях (1.1) также сдвинуты на полпериода основной гармоники:

i К′′ (t ) = i К′ (t + 0,5T )

(1.2)

К общей нагрузке АЭ подключаются через вторую фазосдвигающую цепь, с помощью которой в нагрузке выделяется ток, пропорциональный разности токов АЭ:

i Н (t ) = i К′′ (t ) − i К′ (t )

(1.3)

Гармонический состав тока в нагрузке можно найти, разложив токи i К′′ ряды Фурье.

и i К′ в

Разность токов i К′′ и i К′ содержит только нечетные гармоники. В

случае работы с углом отсечки 90° в спектре выходного тока отсутствуют все

Карякин В.Л.

18

Компьютерные технологии проектирования усилителей мощности телевизионных радиопередатчиков

нечетные гармоники кроме основной. На рис.1.7 показан процесс формирования гармонического выходного тока при

θ =90° и кусочно-линейных характеристиках АЭ.

Рисунок 1.7 В общем проводе питания схемы, приведенной на рис.1.8, протекает сумма токов содержащая только постоянные составляющие и четные гармоники. Это обстоятельство существенно облегчает задачу блокировки источника питания.

Рисунок 1.8 Карякин В.Л.

19

Компьютерные технологии проектирования усилителей мощности телевизионных радиопередатчиков

Двухтактная схема, содержащая два идентичных АЭ, аналогично схеме параллельного включения АЭ отдает удвоенную полезную мощность в нагрузку, потребляет удвоенную мощность от источника питания и имеет удвоенную мощность возбуждения по сравнению с одним АЭ. Переход к двухтактным схемам включения транзисторов обычно связан не столько с целью повышения уровня мощности (теоретически в 2 раза), сколько с улучшением ряда других характеристик. Во-первых, в двухтактных генераторах при тех же режимах работы транзисторов можно существенно снизить уровень высших гармоник в нагрузке. Во-вторых, в ряде схем удается ослабить требования к блокировочным элементам, а также за счет поочередности работы транзисторов линеаризировать результирующее входное сопротивление — нагрузку для предыдущего каскада. Наконец, переход к двухтактным схемам позволяет реализовать новые режимы работы транзисторов

(точнее работу с

эпюрами токов и напряжений в коллекторной и стоковой цепях, которые невозможно реализовать в однотактных схемах). В транзисторной технике

двухтактное построение генераторов широко

используется на частотах от десятков килогерц до 1 ГГц. На частотах до 30...80 МГц

применяются транзисторные двухтактные генераторы с апериодической

резистивной нагрузкой, в первую очередь при построении широкодиапазонных неперестраиваемых генераторов, перекрывающих диапазон частот до пяти-шести октав. В таких генераторах, как в двухтактных усилителях НЧ с трансформаторной нагрузкой, транзисторы работают в режиме класса В (угол отсечки θ = 90°). При этом высшие гармоники на выходе генератора незначительны, так как четные гармоники

коллекторных

токов

обоих

транзисторов

компенсируются

(закорачиваются) в первичной обмотке выходного трансформатора, а нечетные гармоники при симметричных косинусоидальных импульсах тока с углом отсечки 0 = 90° теоретически отсутствуют.

Карякин В.Л.

20

Компьютерные технологии проектирования усилителей мощности телевизионных радиопередатчиков

Таким

образом,

при

построении

широкодиапазонных

двухтактных

генераторов главным является требование симметричности схемы и работы транзисторов в обоих плечах. Симметричность работы генератора должны обеспечивать входной и выходной трансформаторы цепи согласования, и, кроме того, выходной трансформатор должен создавать сопротивление, близкое к короткому замыканию для каждого транзистора на частотах четных гармоник. Коллекторные токи транзисторов должны быть равны по амплитуде и сдвинуты по фазе на 180° и представлять симметричные косинусоидальные импульсы с углом отсечки θ = 90°. В результате практически удается добиться ослабления высших гармоник в нагрузке при включении биполярных транзисторов с ОБ до (20...30) дБ, а при включении с ОЭ при индивидуальном подборе транзисторов до -(15...20) дБ. На частотах до 1...10 МГц при небольших уровнях колебательной мощности (на единицы—десятки ватт) двухтактные генераторы можно выполнять на трансформаторах с магнитной связью между обмотками (рис. 1.9).

Рисунок 1.9

Карякин В.Л.

21

Компьютерные технологии проектирования усилителей мощности телевизионных радиопередатчиков

Трансформатор Тр1 обеспечивает переход к симметричному выходу и противофазному возбуждению транзисторов. Средняя точка первичной обмотки трансформатора Тр2 соединяется с корпусом по ВЧ. Благодаря противофазной работе транзисторов первые гармоники их коллекторных токов протекают в одном направлении через первичную обмотку Тр2 и поступают в нагрузку Rн. Нечетные гармоники токов теоретически отсутствуют (при θ = 90°), но если они есть, то точно также поступают в RH. Наоборот, четные гармоники коллекторных токов в половинках первичной обмотки Тр2 направлены встречно, а поскольку обе половинки расположены на общем магнитопроводе, то эквивалентное входное сопротивление каждой из половинок первичной обмотки Тр2 на частотах четных гармоник, определяющее кажущуюся нагрузку для транзисторов, оказывается близким к нулю. На более высоких частотах и при больших уровнях мощности двухтактные транзисторные генераторы строят на трансформаторах из отрезков длинных линий, которые вносят меньшие паразитные индуктивности и емкости. Пример построения генератора на биполярных транзисторах с ОЭ показан на рис. 1.9б. В этой схеме трансформаторы Тр1 и Тр3 осуществляют переход от несимметричных нагрузок к симметричным. При необходимости вместо них можно поставить трансформаторы,

которые

одновременно

трансформацию

нагрузочных

будут

сопротивлений.

обеспечивать

Трансформатор

Тр2

заданную создает

короткое замыкание по четным гармоникам коллекторного тока транзисторов (аналогично как первичная обмотка трансформатора Тр2 с магнитной связью в схеме на рис. 1.9а). Первая и все нечетные гармоники коллекторных токов обоих транзисторов поступают на трансформаторы Тр2 и Тр3 в противофазе. Линия трансформатора Тр2 их не шунтирует, и они проходят через линию трансформатора Тр3 в нагрузку. Наоборот,

токи

четных

гармоник

поступают

в

фазе

и

шунтируются

(закорачиваются) линией Тр2. Одновременно они не могут встречно протекать через проводники линии трансформатора Тр3. Карякин В.Л.

22

Компьютерные технологии проектирования усилителей мощности телевизионных радиопередатчиков

Трансформатор Тр3 выполняется на линии с волновым сопротивлением Zc3 = RH. Для каждого транзистора приведенное нагрузочное сопротивление RЭКВ = 0,5RН. Трансформатор Тр2 выполняется на линии с волновым сопротивлением ZC 2 = (0,5...1,0)RН, а ее электрическая длина lэ выбирается не более (0,05...0,1) λ . При этих условиях он обеспечивает достаточно низкое сопротивление по четным гармоникам и незначительно шунтирует по первой гармонике. Линии Тр2 и Тр3 целесообразно помещать на одном магнитопроводе, чтобы уменьшить суммарный объем сердечника. При этом необходимо, чтобы число витков, образуемых линиями на сердечнике, было одинаковым и соблюдалось направление намоток (на рис. 1.9б показано в виде общей черты и начала намоток отмечены точками). Для

достижения

лучшей

симметрии

схемы,

обеспечения

импульсов

коллекторных токов, близких к отрезкам симметричной косинусоиды с углом отсечки θ = 90° в широком интервале частот, а значит, лучшего ослабления высших гармоник в нагрузке оптимальным является последовательное включение по ВЧ биполярных транзисторов с ОЭ относительно входа. Для этого в схеме на рис. 1.9а достаточно убрать блокировочный конденсатор СБЛ.. В схеме на рис.1.9б такое включение обеспечивает трансформатор Тр1. В цепи базы транзисторов обычно устанавливают цепи коррекции АЧХ, одновременно обеспечивающие резистивное входное сопротивление. В схеме на рис. 1.9б волновое сопротивление линии Tp1 выбирается равным входному сопротивлению цепи коррекции АЧХ. Диапазон частот двухтактных генераторов на трансформаторах из отрезков линий ограничен 30...80 МГц, что обусловлено трудностями обеспечения низкого сопротивлений (короткого замыкания) по четным гармоникам в коллекторной цепи транзисторов. Из-за более высоких входных и нагрузочных сопротивлений МДП-транзисторов

двухтактные

генераторы

на

них

с

использованием

трансформаторов из отрезков линий строят на частотах до 100 МГц. На частотах от 100 МГц до 1 ГГц двухтактные генераторы строят относительно узкодиапазонными — при K

f

более 1,5... 1,6. При этом рабочая полоса частот Карякин В.Л.

23

Компьютерные технологии проектирования усилителей мощности телевизионных радиопередатчиков

может составлять 100...200 МГц и выше. Такие генераторы выполняют на так называемых «балансных» транзисторах. Балансный транзистор представляет собой два транзистора одного типа проводимости, размещенных в одном корпусе (рис. 1.10). Биполярные транзисторы включают как с ОЭ, так и с ОБ, а МДП-транзисторы — с ОИ. Главное преимущество балансных транзисторов — значительное уменьшение индуктивности общего вывода. Действительно, обе половинки транзистора располагаются предельно близко друг к другу, поэтому их индуктивности LЭ(1) и LЭ(2) (см. рис. 1.10) оказываются в 5... 10 раз меньше, чем обычного транзистора, а общая индуктивность LЭ ОБЩ хотя и остается большой, но не вызывает обратной связи и снижения коэффициента усиления по мощности, поскольку через нее эмиттерные токи обеих половинок протекают в противофазе. Кроме того, при одинаковой номинальной мощности входное

Рисунок 1.10 сопротивление каждой из половинок возрастает в 2 раза, а так как по входу они включены

последовательно,

то

результирующее

входное

сопротивление

балансного транзистора увеличивается в 4 раза. Как правило, внутри корпуса балансного транзистора во входной и

Карякин В.Л.

24

Компьютерные технологии проектирования усилителей мощности телевизионных радиопередатчиков

коллекторных цепях размещаются дополнительные L- и С-элементы (как и в обычных транзисторах), которые вместе с внешними LC-элементами образуют входные

и

выходные

согласующие

цепи

и

цепи

коррекции

АЧХ,

спроектированные на заданный рабочий диапазон балансного транзистора. Кроме того, у некоторых типов балансных транзисторов между выводами коллекторов включается общая индуктивность LКК, которая вместе с коллекторными емкостями обеих половинок образует резонансный контур, настроенный на центральную частоту рабочего диапазона. На входе и выходе генератора обычно включают трансформаторы на длинных линиях, во-первых, для повышения (понижения) нагрузочных сопротивлений и, во-вторых, для перехода от несимметричных к симметричным нагрузкам. Как правило, эти функции разделяют между двумя отдельными трансформаторами. На рис. 1.10 показаны трансформаторы только во входной цепи генератора. Каждый выполнен на двух коаксиальных линиях достаточной длины, чтобы необходимые продольные индуктивности

образовывались

достаточной

величины

без

применения

ферромагнитопровода. Вторая линия Л1(2) в трансформаторе Тр1, включается для наилучшей симметрии

схемы.

Трансформатор

Тр2

—

симметричный,

понижает

сопротивление нагрузки в 4 раза. Аналогичные трансформаторы, но только в обратной последовательности устанавливают в выходной цепи. Опыт построения мощных транзисторных УМ в телевизионных передатчиках привел к разработке фирмами-производителями типовых усилительных модулей мощностью 200. ..300 Вт. Используя схемы сложения этих модулей, получают выходные мощности в единицы киловатт и более. Типовой модуль мощного транзисторного УМ представлен на рис. 1.11

Карякин В.Л.

25

Компьютерные технологии проектирования усилителей мощности телевизионных радиопередатчиков

Рисунок 1.11 Он состоит из двух идентичных балансных УМ: Ус1 и Ус2. На входе типового модуля стоит квадратурный мост деления мощности W13, на выходе — квадратурный мост сложения W14.

Оба моста выполнены на основе 3-дБ

направленных ответвителей (НО) на связанных линиях с боковой или лицевой связью или на отрезках специальных двухпроводных кабелей. Использование квадратурной схемы позволяет: ослабить взаимное влияние двух балансных схем и упростить согласование их входных цепей; обеспечить подавление отраженных волн на выходе модуля при его работе на несогласованную нагрузку (фидер). Заметим, что при несогласованной на выходе модуля нагрузке возникает "перекос" режимов транзисторов Ус1 и Ус2, что приводит к перегрузке одного из приборов. Поэтому на выходе моста сложения W14, особенно в диапазоне УВЧ, целесообразно предусмотреть включение циркулятора. Рассматриваемый модуль позволяет получить мощность на уровне передачи синхроимпульса от 300 Вт в диапазоне ОВЧ до 200 Вт в диапазоне УВЧ. При отказе одного из усилителей Карякин В.Л.

26

Компьютерные технологии проектирования усилителей мощности телевизионных радиопередатчиков

модуль в целом продолжает работать при снижении выходной мощности на 6 дБ при условии, что балластные сопротивления R2 и R3 рассчитаны на рассеивание 25 % мощности на входе и выходе модуля. Вариант схемы балансного Ус1, приведенный на рис. 1.11, разработан для диапазона 470...810 МГц; в индуктивных ветвях стоят полосковые линии (ПЛ). Для

противофазного

возбуждения

балансного

транзистора

используют,

симметрирующий трансформатор W2. Он выполнен на отрезке кабеля, заземленном со стороны распространения синфазной волны через блокировочный конденсатор С5. Для улучшения балансировки методом печатного монтажа введен отрезок ПЛ W1, который выполняет роль аналога оплетки кабеля при подводе питания к транзистору, возбуждаемому напряжением по центральному проводу трансформатора W2. Элементы СЗ, С4, W3, W4 образуют входное согласующе-фильтрующее устройство (СФУ). На выходе балансной схемы установлен выходной симметрирующий трансформатор W1, конструктивно выполненный аналогично W2. Выходное СФУ построено на элементах W6-W9, С8, С9. Отрезки ПЛ W5 и W12 выполняют роль блокировочных дросселей в цепях подачи коллекторного напряжения Ек.

Параллельно радиочастотным

конденсаторам блокировки С1 и С7 (десятки-сотни тысяч пикофарад) включают электролитический конденсатор С11 емкостью в сотни микрофарад для снятия паразитной модуляции. Эта модуляция может появиться из-за заметного падения напряжения на выходном сопротивлении источника питания коллекторов, поскольку сопротивление нагрузки, создаваемое транзисторами для источника питания, низкоомно.

Аналогично выполнена блокировка и в цепи подачи

напряжения смещения на базы транзисторов Еб .

Последовательно с

электролитом Сб включен антипаразитный резистор R1 порядка 1 Ом для устранения возможных резонансных явлений в полосе видеочастот. Для

обеспечения

максимальной

линейности

усиления

схема

требует

тщательного выбора рабочей точки балансного транзистора в режиме "молчания" Карякин В.Л.

27

Компьютерные технологии проектирования усилителей мощности телевизионных радиопередатчиков

(в

отсутствие

радиосигнала).

Опыт

показывает,

что

статическая

дифференциальная крутизна (S-параметр вольт-амперной) или ампер-амперной входной характеристики транзистора в режиме молчания должна быть равна половине его статической дифференциальной крутизны (S-параметра) на линейном участке характеристики (режим АВ). Все напряжения питания транзисторов стабилизированы. Для термостабилизации режима транзисторов используют схему управления напряжением смещения Еб по сигналам с термодатчика. Модуль имеет защиту от рассогласования нагрузки (КСВН > 1,5), от

превышения

допустимого

уровня

температуры

радиатора

усилителя

(например, более 80 °С), от перегрузки транзисторов по току. Так как транзисторы работают в режиме АВ, то для их быстродействующей защиты достаточно снять напряжение возбуждения со входа модуля (запирают одну из предшествующих ступеней усиления). В соответствии с методикой [1] расчет энергетического режима транзисторов выполняют в режиме пиковой мощности, режиме передачи черного поля и в среднем режиме. Для высокоэффективных транзисторов в режиме пиковой мощности относительное напряжение на коллекторе ξ = UK/EK ≈ 0,75 ... 0,7. В этом режиме не должны быть превышены максимально допустимые напряжение на коллекторе и ток коллектора. Угол отсечки коллекторного тока по аппроксимированной характеристике выбирают равным 90°. Из расчета коллекторной цепи определяют эквивалентное сопротивление RЭ. При Ек = 28 В эта величина обычно лежит в пределах 3 Ом на одно плечо двухтактной схемы. Транзисторный УМ, работающий на ламповый (например, оконечный) каскад канала изображения телевизионного передатчика, должен, как и в случае, когда он является выходным, сохранять работоспособность при рассогласовании нагрузки, которое здесь даже более вероятно (при смене ламп, перестройках и т.п.). Кроме того, его АЧХ должна слабо зависеть от этого рассогласования, выполнение таких требований облегчается, если на выходе рассматриваемого Карякин В.Л.

28

Компьютерные технологии проектирования усилителей мощности телевизионных радиопередатчиков

каскада включен невзаимный элемент (ферритовый циркулятор) или он сам построен по квадратурной схеме. Мощность, отраженная от входа лампового каскада, выделяется при этом или в его балластной нагрузке, или, но лишь частично, в балласте мостa квадратурного сложения. Остальная часть отраженной мощности поглощается в последнем

случае

в

складываемых

транзисторных

усилителях,

изменяя

противофазно их режимы и входные сопротивления (из-за большой обратной связи через емкость коллекторного перехода СК).

Неидентичное изменение

входных сопротивлений плеч квадратурной ступени приводит к рассогласованию на входе этого каскада и т.д. Из-за наличия указанной обратной реакции через квадратурную ступень с целью обеспечения стабильности АЧХ тракта УМ оказывается необходимым включать циркулятор также на входе этой ступени.

Карякин В.Л.

29

Компьютерные технологии проектирования усилителей мощности телевизионных радиопередатчиков

2. Элементная база усилителей мощности телевизионных передатчиков Расчёт усилительных каскадов производится исходя из требований по выходной мощности, диапазону рабочих частот телевизионного передатчика. Вначале выбираются транзисторы, обеспечивающие требуемые технические характеристики в заданном диапазоне рабочих частот.

2.1. Анализ характеристик зарубежных транзисторов Рассмотрим

основные

характеристики

транзисторов

фирмы

GHz

TECHNOLOGY. Транзисторы выбираются на заданную мощность, диапазон рабочих частот и должны удовлетворять требованиям по линейности усиления амплитудно-модулированного телевизионного сигнала. Наиболее перспективный с точки зрения разработки новых телевизионных передатчиков является диапазон частот 470-860 МГц. В этом частотном диапазоне фирма GHz TECHNOLOGY предлагает для разработчиков линейку транзисторов с мощностью от 0,5 Вт до 100 Вт. Причем от 0,5 до 20 Вт транзисторы работают в режиме класса А. В режиме класса АВ преимущественно работают транзисторы с мощностью 100 Вт по двухтактной схеме включения. Транзисторы средней мощности от 8 до 20 Вт также предназначены для работы по двухтактной схеме. С целью повышения коэффициента полезного действия транзисторы могут работать в режиме АВ, но для

обеспечения

минимальных

амплитудно-модулированных

нелинейных

искажений

высокочастотных

колебаний

при

усилении

рекомендуется

применять режим А.

2.1.1. Транзисторы однотактных схем усилителей мощности Транзистор UTV005 Номинальная полезная мощность выходного сигнала 0,5 Вт, режим работы –

Карякин В.Л.

30

Компьютерные технологии проектирования усилителей мощности телевизионных радиопередатчиков

класс А, номинальное напряжение коллекторного питания 20 В, конструкция транзистора и его электрические параметры приведены на рис.2.1.

Рисунок 2.1 Зависимость выходной мощности POUT от входной мощности возбуждения

PIN представлена на рис.2.2.

Рисунок 2.2 Зависимость нелинейных искажений IMD от выходной мощности POUT представлена на рис.2.3. При номинальной выходной мощности нелинейные

искажения

международных

равны

стандартов

к

–60

дБ,

что

линейности

Карякин В.Л.

соответствует транзисторов

0,5 Вт

требованиям телевизионных

31

Компьютерные технологии проектирования усилителей мощности телевизионных радиопередатчиков

передатчиков. Увеличение выходной мощности до 1 Вт приводит увеличению нелинейных искажений до –45 дБ.

Рисунок 2.3 Зависимость нелинейных искажений

IMD

от коллекторного тока

I cq

транзистора представлена на рис.2.4. Минимальные искажения соответствуют току коллектора 0,2 А. В диапазоне изменения коллекторного тока от 0,15 до 0,37 А искажения ниже уровня –60 дБ.

Рисунок 2.4 Зависимость

Z IN = RIN + jX IN

входного

комплексного

сопротивления

транзистора

от частоты при номинальных значениях коллекторного

Карякин В.Л.

32

Компьютерные технологии проектирования усилителей мощности телевизионных радиопередатчиков

напряжения и тока представлена на рис.2.5. Активная составляющая входного сопротивления RIN изменяется в пределах от 6 до 4,5 Ом при изменении частоты от 400 до 900 МГц. Реактивная составляющая X IN носит индуктивный характер и изменяется при этом в пределах от 0,2 до 6 Ом.

Рисунок 2.6 Зависимость

выходного

комплексного

сопротивления

транзистора

Z OUT = ROUT + jX OUT от частоты при номинальных значениях коллекторного напряжения и тока представлена на рис.2.7. Активная составляющая выходного

Рисунок 2.7 сопротивления ROUT изменяется в пределах от 50 до 30 Ом при изменении частоты от 400 до 900 МГц. Реактивная составляющая X OUT носит индуктивный Карякин В.Л.

33

Компьютерные технологии проектирования усилителей мощности телевизионных радиопередатчиков

характер и изменяется при этом в пределах от 42 до 20 Ом. Транзистор UTV010 Номинальная полезная мощность выходного сигнала 1,0 Вт, режим работы – класс А, номинальное напряжение коллекторного питания 20 В, конструкция транзистора и его электрические параметры приведены на рис.2.8.

Рисунок 2.8 Зависимость выходной мощности POUT от входной мощности возбуждения

PIN представлена на рис.2.9.

Рисунок 2.9

Зависимость нелинейных искажений

IMD

Карякин В.Л.

от коллекторного тока

I cq 34

Компьютерные технологии проектирования усилителей мощности телевизионных радиопередатчиков

транзистора представлена на рис.2.10. Минимальные искажения соответствуют току коллектора 0,4 А. В диапазоне изменения коллекторного тока от 0,3 до 0,5 А искажения ниже уровня –60 дБ.

Рисунок 2.10 Зависимость

Z IN = RIN + jX IN

входного

комплексного

сопротивления

транзистора

от частоты при номинальных значениях коллекторного

напряжения и тока представлена на рис.2.11. Активная составляющая входного сопротивления RIN изменяется в пределах от 2,8 до 1,7 Ом при изменении частоты от 400 до 900 МГц. Реактивная составляющая X IN носит индуктивный характер и изменяется при этом в пределах от 0,6 до 5 Ом.

Рисунок 2.11

Карякин В.Л.

35

Компьютерные технологии проектирования усилителей мощности телевизионных радиопередатчиков

Зависимость

выходного

комплексного

сопротивления

транзистора

Z OUT = ROUT + jX OUT от частоты при номинальных значениях коллекторного напряжения и тока представлена на рис.2.12. Активная составляющая выходного сопротивления ROUT изменяется в пределах от 23 до 7

Ом

при изменении

частоты от 400 до 900 МГц. Реактивная составляющая X OUT носит индуктивный характер и изменяется при этом в пределах от 25 до 13 Ом.

Рисунок 2.12 Транзистор UTV020 Номинальная полезная мощность выходного сигнала 2,0 Вт, режим работы – класс А, номинальное напряжение коллекторного питания 25 В, конструкция транзистора и его электрические параметры приведены на рис.2.13.

Рисунок 2.13 Карякин В.Л.

36

Компьютерные технологии проектирования усилителей мощности телевизионных радиопередатчиков

Зависимость выходной мощности POUT от входной мощности возбуждения

PIN представлена на рис.2.14.

Рисунок 2.14 Зависимость нелинейных искажений IMD от выходной мощности POUT представлена на рис.2.15. При номинальной выходной мощности нелинейные

искажения

международных

равны

стандартов

к

–65

дБ,

что

линейности

соответствует транзисторов

2,0 Вт

требованиям телевизионных

передатчиков. Увеличение выходной мощности до 3,8 Вт приводит увеличению нелинейных искажений до –54 дБ.

Рисунок 2.15 Карякин В.Л.

37

Компьютерные технологии проектирования усилителей мощности телевизионных радиопередатчиков

Зависимость нелинейных искажений

IMD

от коллекторного тока

I cq

транзистора представлена на рис.2.16. Минимальные искажения соответствуют току коллектора 0,4 А. В диапазоне изменения коллекторного тока от 0,35 до 0,45 А искажения ниже уровня –60 дБ.

Рисунок 2.16 Зависимость

Z IN = RIN + jX IN

входного

комплексного

сопротивления

транзистора

от частоты при номинальных значениях коллекторного

напряжения и тока представлена на рис.2.17. Активная составляющая входного

Рисунок 2.17 Карякин В.Л.

38

Компьютерные технологии проектирования усилителей мощности телевизионных радиопередатчиков

сопротивления RIN изменяется в пределах от 1,0 до 0,8 Ом при изменении частоты от 400 до 900 МГц. Реактивная составляющая X IN носит емкостной характер и изменяется при этом в пределах от –3,8 до –9,0 Ом. Зависимость

выходного

комплексного

сопротивления

транзистора

Z OUT = ROUT + jX OUT от частоты при номинальных значениях коллекторного напряжения и тока представлена на рис.2.18. Активная составляющая выходного сопротивления ROUT изменяется в пределах от 0,8 до 0,9 Ом при изменении частоты от 400 до 900 МГц. Реактивная составляющая X OUT носит индуктивный характер и изменяется при этом в пределах от 23 до 15 Ом.

Рисунок 2.18 Транзистор UTV040 Номинальная полезная мощность выходного сигнала 4,0 Вт, режим работы – класс А, номинальное напряжение коллекторного питания 25 В, конструкция транзистора и его электрические параметры приведены на рис.2.19.

Карякин В.Л.

39

Компьютерные технологии проектирования усилителей мощности телевизионных радиопередатчиков

Рисунок 2.19 Зависимость выходной мощности POUT от входной мощности возбуждения

PIN представлена на рис.2.20.

Рисунок 2.20 Зависимость нелинейных искажений IMD от выходной мощности POUT представлена на рис.2.21. При номинальной выходной мощности нелинейные

искажения

международных

равны

стандартов

к

–60

дБ,

что

линейности

соответствует транзисторов

4,0 Вт

требованиям телевизионных

передатчиков. Увеличение выходной мощности до 5 Вт приводит увеличению нелинейных искажений до –57 дБ.

Карякин В.Л.

40

Компьютерные технологии проектирования усилителей мощности телевизионных радиопередатчиков

Рисунок 2.21 Зависимость нелинейных искажений

IMD

от коллекторного тока

I cq

транзистора представлена на рис.2.22. Минимальные искажения соответствуют току коллектора 0,8 А. В диапазоне изменения коллекторного тока от 0,65 до 1,0 А искажения ниже уровня –60 дБ.

Рисунок 2.22 Зависимость

Z IN = RIN + jX IN

входного

комплексного

сопротивления

транзистора

от частоты при номинальных значениях коллекторного

напряжения и тока представлена на рис.2.23. Активная составляющая входного сопротивления RIN изменяется в пределах от 1,3 до 0,5 Ом при изменении

Карякин В.Л.

41

Компьютерные технологии проектирования усилителей мощности телевизионных радиопередатчиков

частоты от 400 до 900 МГц. Реактивная составляющая X IN носит индуктивный характер и изменяется при этом в пределах от 0,5 до 4,8 Ом.

Рисунок 2.23 Зависимость

выходного

комплексного

сопротивления

транзистора

Z OUT = ROUT + jX OUT от частоты при номинальных значениях коллекторного напряжения и тока представлена на рис.2.24. Активная составляющая выходного сопротивления ROUT изменяется в пределах от 14 до 4,0 Ом при изменении частоты от 400 до 900 МГц. Реактивная составляющая X OUT носит индуктивный характер и изменяется при этом в пределах от 10 до 6,0 Ом.

Рисунок 2.24 Карякин В.Л.

42

Компьютерные технологии проектирования усилителей мощности телевизионных радиопередатчиков

2.1.2. Транзисторы двухтактных схем усилителей мощности Рассмотрим

характеристики

транзисторов

двухтактных

усилителей

мощности, работающих в режимах А или АВ в зависимости от требований предъявляемых к ним по линейности и фильтрации гармоник. Транзистор UTV080 Номинальная полезная мощность выходного сигнала

8,0 Вт, схема

включения – двухтактная, режим работы – класс А, АВ, номинальное напряжение коллекторного питания 28 В, конструкция транзистора и его

электрические

параметры приведены на рис.2.25.

Рисунок 2.25 Зависимость выходной мощности POUT от входной мощности возбуждения

PIN представлена на рис.2.26.

Карякин В.Л.

43

Компьютерные технологии проектирования усилителей мощности телевизионных радиопередатчиков

Рисунок 2.26 Зависимость нелинейных искажений IMD от выходной мощности POUT представлена на рис.2.27. При номинальной выходной мощности нелинейные

искажения

международных

равны

стандартов

к

–60

дБ,

что

линейности

соответствует транзисторов

8,0 Вт

требованиям телевизионных

передатчиков. Увеличение выходной мощности до 20 Вт приводит увеличению нелинейных искажений до –38 дБ.

Рисунок 2.27 Зависимость нелинейных искажений

IMD

Карякин В.Л.

от коллекторного тока

I cq

44

Компьютерные технологии проектирования усилителей мощности телевизионных радиопередатчиков

транзистора представлена на рис.2.28. Минимальные искажения соответствуют току коллектора 1,5 А.

Рисунок 2.28 Зависимость

Z IN = RIN + jX IN

входного

комплексного

сопротивления

транзистора

от частоты при номинальных значениях коллекторного

напряжения и тока представлена на рис.2.29. Активная составляющая входного сопротивления RIN изменяется в пределах от 1 до 13 Ом при изменении частоты от 400 до 900 МГц. Реактивная составляющая X IN носит индуктивный характер и изменяется при этом в пределах от 8 до 20 Ом.

Рисунок 2.29

Карякин В.Л.

45

Компьютерные технологии проектирования усилителей мощности телевизионных радиопередатчиков

Зависимость

выходного

комплексного

сопротивления

транзистора

Z OUT = ROUT + jX OUT от частоты при номинальных значениях коллекторного напряжения и тока представлена на рис.2.30. Активная составляющая выходного сопротивления ROUT изменяется в пределах от 20 до 5

Ом

при изменении

частоты от 400 до 900 МГц. Реактивная составляющая X OUT носит индуктивный характер и изменяется при этом в пределах от 11 до 2 Ом.

Рисунок 2.30 Транзистор UTV120 Номинальная полезная мощность выходного сигнала

12 Вт, схема

включения – двухтактная, режим работы – класс А, АВ, номинальное напряжение коллекторного питания 28 В, конструкция транзистора и его

электрические

параметры приведены на рис.2.31.

Карякин В.Л.

46

Компьютерные технологии проектирования усилителей мощности телевизионных радиопередатчиков

Рисунок 2.31 Зависимость выходной мощности POUT от входной мощности возбуждения

PIN представлена на рис.2.32.

Рисунок 2.32 Зависимость нелинейных искажений IMD от выходной мощности POUT представлена на рис.2.33. При номинальной выходной мощности

12 Вт

нелинейные искажения равны –56 дБ. Увеличение выходной мощности до 20 Вт приводит увеличению нелинейных искажений до –44 дБ.

Карякин В.Л.

47

Компьютерные технологии проектирования усилителей мощности телевизионных радиопередатчиков

Рисунок 2.33 Зависимость нелинейных искажений

IMD

от коллекторного тока

I cq

транзистора представлена на рис.2.34. Минимальные искажения соответствуют току коллектора от 1,5 до 2,0 А.

Рисунок 2.34 Зависимость

Z IN = RIN + jX IN

входного

комплексного

сопротивления

транзистора

от частоты при номинальных значениях коллекторного

напряжения и тока представлена на рис.2.35. Активная составляющая входного сопротивления RIN изменяется в пределах от 2 до 6 Ом при изменении частоты от 400 до 900 МГц. Реактивная составляющая X IN носит индуктивный характер и

Карякин В.Л.

48

Компьютерные технологии проектирования усилителей мощности телевизионных радиопередатчиков

изменяется при этом в пределах от 3 до 10 Ом.

Рисунок 2.35 Зависимость

выходного

комплексного

сопротивления

транзистора

Z OUT = ROUT + jX OUT от частоты при номинальных значениях коллекторного напряжения и тока представлена на рис.2.36. Активная составляющая выходного сопротивления ROUT изменяется в пределах от 6 до 1 Ом при изменении частоты от 400 до 900 МГц.

Рисунок 2.36 Реактивная составляющая X OUT носит индуктивный характер и изменяется

Карякин В.Л.

49

Компьютерные технологии проектирования усилителей мощности телевизионных радиопередатчиков

при этом в пределах от 10 до 2 Ом. Транзистор UTV200 Номинальная полезная мощность выходного сигнала

20 Вт, схема

включения – двухтактная, режим работы – класс А, АВ, номинальное напряжение коллекторного питания 28 В, конструкция транзистора и его

электрические

параметры приведены на рис.2.37.

Рисунок 2.37 Зависимость выходной мощности POUT от входной мощности возбуждения

PIN представлена на рис.2.38.

Рисунок 2.38

Карякин В.Л.

50

Компьютерные технологии проектирования усилителей мощности телевизионных радиопередатчиков

Зависимость нелинейных искажений IMD от выходной мощности POUT представлена на рис.2.39. При номинальной выходной мощности

20 Вт

нелинейные искажения равны –53 дБ. Увеличение выходной мощности до 30 Вт приводит увеличению нелинейных искажений до –40 дБ.

Рисунок 2.39 Зависимость нелинейных искажений

IMD

от коллекторного тока

I cq

транзистора представлена на рис.2.40. Минимальные искажения соответствуют току коллектора 3,0 А.

Рисунок 2.40 Зависимость

входного

комплексного Карякин В.Л.

сопротивления

транзистора 51

Компьютерные технологии проектирования усилителей мощности телевизионных радиопередатчиков

Z IN = RIN + jX IN

от частоты при номинальных значениях коллекторного

напряжения и тока представлена на рис.2.41. Активная составляющая входного сопротивления RIN изменяется в пределах от 3 до 23 Ом при изменении частоты от 400 до 900 МГц. Реактивная составляющая X IN носит индуктивный характер и изменяется при этом в пределах от 12 до 17 Ом.

Рисунок 2.41 Зависимость

выходного

комплексного

сопротивления

транзистора

Z OUT = ROUT + jX OUT от частоты при номинальных значениях коллекторного напряжения и тока представлена на рис.2.42. Активная составляющая выходного сопротивления ROUT изменяется в пределах от 5 до 3 Ом при изменении частоты от 400 до 900 МГц.

Карякин В.Л.

52

Компьютерные технологии проектирования усилителей мощности телевизионных радиопередатчиков

Рисунок 2.42 Реактивная составляющая X OUT носит индуктивный характер и изменяется при этом в пределах от 4,5 до 13 Ом. Транзистор UTV100В Номинальная полезная мощность выходного сигнала

100 Вт, схема

включения – двухтактная, режим работы – класс АВ, номинальное напряжение коллекторного питания 28 В, конструкция транзистора и его

электрические

параметры приведены на рис.2.43.

Рисунок 2.43 Зависимость выходной мощности POUT от входной мощности возбуждения

PIN представлена на рис.2.44.

Карякин В.Л.

53

Компьютерные технологии проектирования усилителей мощности телевизионных радиопередатчиков

Рисунок 2.44 Зависимость

Z IN = RIN + jX IN

входного

комплексного

сопротивления

транзистора

от частоты при номинальных значениях коллекторного

напряжения и тока представлена на рис.2.45. Активная составляющая входного сопротивления RIN изменяется в пределах от 2 до 6 Ом при изменении частоты от 400 до 900 МГц. Реактивная составляющая X IN носит индуктивный характер и изменяется при этом в пределах от 7 до 14 Ом.

Рисунок 2.45

Карякин В.Л.

54

Компьютерные технологии проектирования усилителей мощности телевизионных радиопередатчиков

Зависимость

выходного

комплексного

сопротивления

транзистора

Z OUT = ROUT + jX OUT от частоты при номинальных значениях коллекторного напряжения и тока представлена на рис.2.46.

Рисунок 2.46 Активная составляющая выходного сопротивления

ROUT

изменяется в

пределах от 10,5 до 4 Ом при изменении частоты от 400 до 900 МГц. Реактивная составляющая X OUT носит емкостной характер и изменяется при этом в пределах от -10 до –2 Ом. На частоте 700 МГц реактивная составляющая минимальна.

Карякин В.Л.

55

Компьютерные технологии проектирования усилителей мощности телевизионных радиопередатчиков

3. Исследование однотактных усилителей мощности с использованием пакета программ Microwave Office 2001 Современные

технологии

исследования

радиотехнических

устройств

основаны на широком использовании компьютерного моделирования. В предыдущем разделе учебного пособия дан анализ характеристик современных зарубежных

транзисторов,

предназначенных

для

построения

усилителей

мощности телевизионных передатчиков. Приведенные зависимости входных и выходных комплексных сопротивлений транзисторов позволяют эффективно использовать

компьютерные

технологии

анализа

и

синтеза

топологии

электрических схем усилителей мощности, в частности, для исследования усилителей мощности в режиме А и АВ может быть использован пакет программ Microwave Office 2001. 3.1. Методические указания по использованию пакета Microwave Office 2001 Запуск программы Microwave Office 2001 Для того чтобы начинать работу с Microwave Office 2001, щелкните кнопку Пуск на панели задач Windows. Выберите команду Программы Microwave Office. Щелкните название программы Microwave Office. На экране монитора появятся заставки.

Карякин В.Л.

56

Компьютерные технологии проектирования усилителей мощности телевизионных радиопередатчиков

Рисунок 3.1

Рисунок 3.2 Для просмотра следующего совета по работе с программой нажмите кнопку Next Tip. Что бы заставка больше не появлялись при старте программы, уберите флажок у Show tips at startup. Для перехода к программе нажмите Close. Появится главное окно программы Microwave Office 2001.

Карякин В.Л.

57

Компьютерные технологии проектирования усилителей мощности телевизионных радиопередатчиков

Рисунок 3.3 Главное окно содержит линейку всех необходимых компонентов данной среды проектирования. File - файл, Project - проект, Simulate - моделирование, Options -параметры, Windows - окно, Help - справка.

Рисунок 3.4 Ниже расположены кнопки. Назначение активных кнопок можно узнать из всплывающих подсказок, подведя курсор мыши и задержав на несколько секунд.

Карякин В.Л.

58

Компьютерные технологии проектирования усилителей мощности телевизионных радиопередатчиков

Главное окно содержит также четыре закладки: Закладка Proj (Project View) - окно просмотра проекта расположено в левой части Главного окна и имеет полную законченную иерархическую структуру Проекта: - Design Notes - простой текстовый редактор, позволяет создавать пояснительную записку к Проекту. Вызывается двойным щелчком мыши на Design Notes. - Project Frequency - установка диапазона рабочих частот. - Global Equations - глобальные уравнения. Может содержать любые уравнения или функции. - Data Files - файлы данных. Содержит список файлов данных добавленных к этому проекту. - Schematics - схемы и параметры к ним. - EM Structures - EM структуры и соответствующие параметры. - Conductor Materials - свойства материала проводника. - Output Equations - выходные уравнения. - Graphs - графики. Возможны 5 типов графиков: антенные чертежи, прямоугольная система координат, диаграмма Смита, полярная система координат, табличная форма. - Optimization Goals - цели оптимизации. - Yield Goals -цели выхода. - Output Files - файлы с выходными значениями величин. Закладка Elem (Element Browser) - просмотр элементов. Карякин В.Л.

59

Компьютерные технологии проектирования усилителей мощности телевизионных радиопередатчиков

Закладка Var (Variable Browser) -просмотр величин элементов. Закладка Layout (Layout Browser) - топология. Перейдем к пошаговому рассмотрению методики исследования усилителей мощности телевизионных передатчиков с помощью программных средств Microwave Office 2001. В качестве исходных данных для анализа и синтеза усилителя мощности могут служить схемы, рекомендуемые фирмами изготовителями транзисторов. В таких схемах, как правило, имеется информация о параметрах входных и выходных цепей согласования для одной из рабочих частот. Поэтому вначале необходимо провести анализ работы схемы на основании исходных данных, убедиться в ее работоспособности, а затем синтезировать параметры согласующих цепей, обеспечивающих требуемые технические характеристики усилителя в заданном частотном диапазоне. В результате проведенных исследований необходимо получить топологию печатной платы усилителя мощности в микрополосковом исполнении. 3.1.1. Исходные данные Вначале задаемся выходной мощностью усилителя 0,5 Вт. Полагаем, что усилитель должен работать на 69 телевизионном канале, что соответствует рабочему диапазону частот 854,0…862,0 МГц. За основу для исследования можно принять схему, представленную на рис.3.5.

Рисунок 3.5

Карякин В.Л.

60

Компьютерные технологии проектирования усилителей мощности телевизионных радиопередатчиков

Данная схема рекомендована фирмой GHz TECHNOLOGY. Номиналы элементов схемы, параметры входных и выходных цепей согласования на частоте 860 МГц следующие:

Схема цепей питания коллектора и базы транзистора

UTV005 усилителя

мощности представлена на рис.3.6.

Рисунок 3.6

Карякин В.Л.

61

Компьютерные технологии проектирования усилителей мощности телевизионных радиопередатчиков

3.1.2. Исследование входной цепи согласования усилителя мощности Из данных к рис.3.5 можно записать физические параметры микрополосковых линий входной цепи ( L1, L2, L3) усилителя мощности: L1 - (5,0 х 4,0) мм . Толщина материала 1,66 мм. Проницаемость ε = 2,74. Воспользуемся пакетом программ Microwave Office 2001, для этого из меню Windows (окно) выбрать TXLine. Нажав на кнопку TXLine, установить в появившемся калькуляторе (рис.3.7) физические параметры микрополосковой линии:

Рисунок 3.7 Physical Characteristic Physical Length (L) Width (W) Gap (G) Height (H) Thickness (T)

5,0 mm 4,0 mm 1,6 mm 1,66 mm 0,1 mm

Material Parameters

Карякин В.Л.

62

Компьютерные технологии проектирования усилителей мощности телевизионных радиопередатчиков

Dielectric Const

2,74

Установить рабочую частоту Frequence кнопку, обозначенную стрелкой

860 MHz,

нажать на верхнюю

, получим результат синтеза электрических

характеристик микрополосковой линии L1 (рис.3.7) : Electrical Characteristics L1 Impedanse Electrical Length Frequency

50,005 Ohms 7,506 deg 860 MHz

По заданным физическим параметрам микрополосковых линий входной цепи усилителя мощности L2 – (13,0 х 4,0) мм, L3 – (15,0 х 4,0) мм с помощью пакета программ Microwave Office 2001 нетрудно найти электрические характеристики L2 и L3 (Рис.3.8, 3.9).

Рисунок 3.8 Electrical Characteristics L2

Карякин В.Л.

63

Компьютерные технологии проектирования усилителей мощности телевизионных радиопередатчиков

Impedanse Electrical Length Frequency

50,005 Ohms 19,516 deg 860 MHz

Рисунок 3.9 Electrical Characteristics L3 Impedanse Electrical Length Frequency

50,005 Ohms 22,518 deg 860 MHz

Нагрузкой входной цепи усилителя мощности служит входное сопротивление транзистора UTV005 на частоте 860 МГц, которое можно найти по графикам рис.2.6. R= 4,7 Ом, ХL = 5,4 Ом, L =

XL = 1 нГн, где f = 860 МГц. 2πf

(3.1)

Рассмотрим алгоритм иследования входных цепей усилителя мощности с помощью пакета программ Microwave Office 2001. Шаг 1: Начать новый Проект

Карякин В.Л.

64

Компьютерные технологии проектирования усилителей мощности телевизионных радиопередатчиков

Из меню File (файл) выбрать New Project (новый проект). Далее выберите Save Project As и задайте имя проекту, например,

UM1 и

нажмите кнопку

Сохранить. Шаг 2: Создать новую схему Открыть меню Project (проект), Add Schematic (добавить схему), выбрать команду New Schematic (новую схему). В форме Create New Schematic можно оставить Untitled 1, либо ввести название для новой схемы. Далее нажмите OK.

Рисунок 3.10 Шаг 3: Активизация окна просмотра элементов Щелкните на закладке Elem. Шаг 4: Размещение элементов схемы -

Щелкните + Transmission Lines, Phase. Схватите и перетащите на окно Untitled 1 четыре элемента TLIN.

-

Щелкните + Lumped Element. Щелкните Capacitor. Схватите и перетащите в окно Untitled 1 три элемента CAP.

-

Щелкните Resistor. Схватите и перетащите в окно Untitled 1 элемент RES.

-

Щелкните Inductor. Схватите и перетащите в окно Untitled 1 элемент IND.

Шаг 5: Добавление портов и земли Добавить к схеме порт и землю можно несколькими способами. Например, на основной панели найдите кнопку Add Port и щелкните ее. Присоедините

Карякин В.Л.

65

Компьютерные технологии проектирования усилителей мощности телевизионных радиопередатчиков

изображение порта к схеме. Найдите кнопку Add Ground и щелкните ее. Присоедините изображение земли к схеме. Шаг 6: Перемещение поясняющего текста в схеме Для лучшего восприятия схемы пояснительный текст можно перемещать по схеме. Для этого достаточно щелкнуть на тексте и перетащить его в нужное место. Шаг 11: Поворот элементов Подведите курсор к элементу схемы, нажмите правую клавишу мыши и щелкните на Rotate, чтобы повернуть элемент на угол в 90-градусов. Шаг 12: Соединение элементов схемы Соедините элементы схемы между собой и введите номиналы элементов в соответствии со схемой рис.3.6. Номиналы нагрузки введите из (3.1). Ваша схема будет иметь следующий вид:

Рисунок 3.11 Шаг 13: Задание диапазона частот

Карякин В.Л.

66

Компьютерные технологии проектирования усилителей мощности телевизионных радиопередатчиков

Для задания рабочего диапазона частот, сначала перейдите обратно в Проект нажимая на закладку Proj расположенную внизу основного окна. Наведите курсор мышки на Project Freqyency (частота проекта), вверху окна и дважды щелкните. Появиться форма Frequency Range:

Рисунок 3.12 Введите начальную частоту Start 850 MHz, конечную частоту Stop 870 MHz и шаг 1 MHz. Щелкните на кнопке Apply (применить). В окне Current Range появится заданный диапазон (рис.3.12). Нажмите OK. Шаг 14: Добавление графика Для построения зависимости входного сопротивления Z11 от частоты в диапазоне 850…870 МГц в проект нужно добавить график. На основной панели найдите кнопку Add Graph (добавить график) и щелкните ее. Появиться окно Create Graph (формат графика)

Карякин В.Л.

67

Компьютерные технологии проектирования усилителей мощности телевизионных радиопередатчиков

Рисунок 3.13 Установите Smith Chart (диаграмма Смита) и в окно Graph name введите заголовок графика Graph 1. Нажмите OK. График имеет следующий вид.

Рисунок 3.14 Шаг 15: Выбор расчетных величин Задайте расчетные величины для первого графика, щелкните правой клавишей на строке Graph 1 и выберите Add Measurement (добавить вычисления). Появится следующая форма:

Карякин В.Л.

68

Компьютерные технологии проектирования усилителей мощности телевизионных радиопередатчиков

Рисунок 3.15 В окне Meas. Type (тип вычислений) выберите Port Parameters. В окне Measurement (расчет) выберите Z (Z Parameters). В окне Data Source Name выберите Untitled 1. Нажмите Apply (применить). Нажмите OK. Шаг 16: Анализ работы цепи Начните расчет, нажав на кнопку, которая выглядит похожей на след молнии. Построится график подобный графику изображенному ниже.

Рисунок 3.16

Карякин В.Л.

69

Компьютерные технологии проектирования усилителей мощности телевизионных радиопередатчиков

Стрелки на годографе указывают направление, соответствующее увеличению частоты. Установив курсор в любую точку годографа, можно определить r11, x11, частоту возбуждения. В диапазоне частот 850…870 МГц годограф не проходит точку 1.0, соответствующую входному сопротивлению согласующей цепи

Z11=r11=50 Ом

(x11=0). Входное сопротивление носит комплексный характер. График позволяет дать количественную оценку степени согласования активного элемента с источником возбуждения. Из рассмотрения рис.3.16 следует, что необходима параметрическая оптимизация схемы для получения согласования в заданном диапазоне частот. Шаг 17: Синтез принципиальной схемы цепи Пакет программ позволяет провести параметрический синтез принципиальной схемы. Для того чтобы выбрать оптимальные параметры элементов схемы, нажмите на кнопку Tune Tool, которая похожа на отвертку. Затем, используйте ее как указку, пометьте нужные параметры и они попадут в Тюнер. Для выхода из этого режима достаточно нажать клавишу Esc. Каждый параметр элемента схемы, выбранный для регулирования, становится синим. При нажатии на клавишу Tune создаются движки в окне Variable Tuner (тюнер переменных). Перемещая движки вверх или вниз, наблюдайте за изменениями графика Z11. Компьютерное

моделирование

реальной

схемы

позволяет

установить

чувствительность настройки элементов согласующего устройства, выявить качественную и количественную связь параметров звеньев и точность работы согласующего устройства в заданном диапазоне рабочих частот. Добившись оптимальных параметров (рис.3.17, 3.18) схемы согласования, щелкните кнопку Sweep. Закройте Тюнер нажав кнопку Close.

Карякин В.Л.

70

Компьютерные технологии проектирования усилителей мощности телевизионных радиопередатчиков

Рисунок 3.17

Рисунок 3.18 Карякин В.Л.

71

Компьютерные технологии проектирования усилителей мощности телевизионных радиопередатчиков

Шаг 18: Пояснительная записка Создайте пояснительную записку к этому проекту. Вызовите текстовый редактор Design Notes, два раза щелкнув на нем. В появившемся окне напишите, например, «Входная согласующая цепь усилителя мощности».

Рисунок 3.18 Шаг 19: Сохранение всего проекта Для сохранения всего Проекта на диске, из меню File (файл) выберите Save (сохранить) или Save As (сохранить как). Перейдем к

исследованию выходной цепи согласования

усилителя

мощности.

Карякин В.Л.

72

Компьютерные технологии проектирования усилителей мощности телевизионных радиопередатчиков

3.1.3. Исследование выходной цепи согласования усилителя мощности Из данных к рис.3.5 можно записать физические параметры микрополосковых линий выходной цепи ( L6, L7) усилителя мощности: L6 - (37,0 х 4,0) мм . Толщина материала 1,66 мм. Проницаемость ε = 2,74. Методика расчета электрических параметров микрополосковых линий по заданным физическим характеристикам описана в разделе 3.1.2. На рис.3.19 представлены результаты расчета

Рисунок 3.19 Physical Characteristic Physical Length (L) Width (W) Gap (G) Height (H) Thickness (T)

37,0 mm 4,0 mm 1,6 mm 1,66 mm 0,1 mm

Карякин В.Л.

73

Компьютерные технологии проектирования усилителей мощности телевизионных радиопередатчиков

Material Parameters Dielectric Const

2,74

Electrical Characteristics L6 Impedanse Electrical Length Frequency

50,004 Ohms 55,543 deg 860 MHz

По заданным физическим параметрам микрополосковых линий входной цепи усилителя мощности

L7 – (13,0 х 4,0) мм

с помощью пакета программ

Microwave Office 2001 нетрудно найти электрические характеристики данном

случае

воспользуемся

результатами

расчета

L2

L7. В

(Рис.3.8),

т.к.

микрополосковые линии L2 и L7 имеют одинаковые физические параметры. Electrical Characteristics L7 Impedanse Electrical Length Frequency

50,005 Ohms 19,516 deg 860 MHz

По графикам рис.2.7 определим выходное сопротивление транзистора UTV005 на частоте 860 МГц и вычислим величину индуктивности. R= 32 Ом, ХL = 27 Ом, L =

XL = 5 нГн, где f = 860 МГц. 2πf

(3.2)

Алгоритм исследования цепей согласования с помощью пакета программ Microwave Office 2001 подробно рассмотрен в предыдущем разделе, поэтому здесь приведем только основные результаты исследования выходной цепи. Компьютерная модель схемы имеет следующий вид:

Карякин В.Л.

74

Компьютерные технологии проектирования усилителей мощности телевизионных радиопередатчиков

Рисунок 3.20 Результаты анализа данной схемы приведены на рис.3.21.

Рисунок 3.21

Карякин В.Л.

75

Компьютерные технологии проектирования усилителей мощности телевизионных радиопередатчиков

Стрелки на годографе указывают направление, соответствующее увеличению частоты. Установив курсор в любую точку годографа, можно определить r11, x11, частоту возбуждения. В диапазоне частот 850…870 МГц годограф не проходит точку 1.0, соответствующую входному сопротивлению согласующей цепи

Z11=r11=50 Ом

(x11=0). Входное сопротивление активное, но значительно меньше 50 Ом. График позволяет дать количественную оценку степени согласования активного элемента с источником возбуждения. Из рассмотрения рис.3.21 следует, что необходима параметрическая оптимизация схемы для получения согласования в заданном диапазоне частот. Пакет программ позволяет провести параметрический синтез принципиальной схемы. Для того чтобы выбрать оптимальные параметры элементов схемы, нажмите на кнопку Tune Tool, которая похожа на отвертку. Затем, используйте ее как указку, пометьте нужные параметры и они попадут в Тюнер. Для выхода из этого режима достаточно нажать клавишу Esc. Каждый параметр элемента схемы, выбранный для регулирования, становится синим. При нажатии на клавишу Tune создаются движки в окне Variable Tuner (тюнер переменных). Перемещая движки вверх или вниз, наблюдайте за изменениями графика Z11. Компьютерное

моделирование

реальной

схемы

позволяет

установить

чувствительность настройки элементов согласующего устройства, выявить качественную и количественную связь параметров звеньев и точность работы согласующего устройства в заданном диапазоне рабочих частот. Добившись оптимальных параметров (рис.3.22, 3.23) схемы согласования, щелкните кнопку Sweep. Закройте Тюнер нажав кнопку Close. Для обеспечения более высокой точности согласования в рабочем диапазоне частот в синтезируемой схеме помимо параметрической оптимизации элементов добавлен конденсатор C4.

Карякин В.Л.

76

Компьютерные технологии проектирования усилителей мощности телевизионных радиопередатчиков

Рисунок 3.22

Рисунок 3.23 Результаты проведенных исследований позволяют перейти к составлению топологии микрополосковой конструкции усилителя мощности на транзисторе

UTV005.

Карякин В.Л.

77

Компьютерные технологии проектирования усилителей мощности телевизионных радиопередатчиков

3.1.4. Разработка топологии печатной платы микрополосковой конструкции усилителя мощности Исходными данными для проектирования микрополосковой конструкции являются: •

исходная анализируемая схема (рис.3.5);

•

принципиальные схемы (рис. 3.18, 3.23) цепей согласования усилителя мощности, полученные в результате компьютерного синтеза. Переход

от

электрических

характеристик

микрополосковых

линий

к

физическим осуществляется с помощью калькулятора (рис.3.7). Для этого воспользуемся пакетом программ Microwave Office 2001. Из меню Windows (окно) выбрать TXLine.

Нажав на кнопку TXLine, установить в

появившемся калькуляторе электрические характеристики микрополосковой линии L1 : Electrical Characteristics L1 Impedanse Electrical Length Frequency

50,0 Ohms 9,9 deg 860 MHz

Устанавливается также часть физических параметров: Physical Characteristic Gap (G) Height (H) Thickness (T)

Material Parameters 1,6 mm 1,66 mm 0,1 mm

Dielectric Const

Установить рабочую частоту Frequence кнопку, обозначенную стрелкой

2,74

860 MHz, нажать на нижнюю , получим физические характеристики

микрополосковой линии (рис.3.23): Карякин В.Л.

78

Компьютерные технологии проектирования усилителей мощности телевизионных радиопередатчиков

Рисунок 3.23 Physical Characteristic L1 Physical Length (L) Width (W)

6,6 mm 4,0 mm

Результат расчета физических характеристик микрополоскосковых линий по заданным электрическим характеристикам (из рис.3.18, 3.23) следующий: Electrical Characteristics L1 Impedanse Electrical Length Frequency

50,0 Ohms 9,9 deg 860 MHz

Electrical Characteristics L2’ Impedanse Electrical Length Frequency

50,0 Ohms 11,6 deg 860 MHz

Physical Characteristic L1 Physical Length (L) Width (W)

6,6 mm 4,0 mm

Physical Characteristic L2’ Physical Length (L) Width (W)

Карякин В.Л.

7,7 mm 4,0 mm

79

Компьютерные технологии проектирования усилителей мощности телевизионных радиопередатчиков

Electrical Characteristics L2’’ Impedanse Electrical Length Frequency

50,0 Ohms 20,7 deg 860 MHz

Electrical Characteristics L3 Impedanse Electrical Length Frequency

50,0 Ohms 5,88 deg 860 MHz

Physical Characteristic L2’’ Physical Length (L) Width (W)

Physical Characteristic L3 Physical Length (L) Width (W)

Electrical Characteristics L6’ Impedanse Electrical Length Frequency

50,0 Ohms 30,8 deg 860 MHz

50,0 Ohms 11,3 deg 860 MHz

Physical Length (L) Width (W)

Physical Length (L) Width (W)

7,5 mm 4,0 mm

Physical Characteristic L7’

50,0 Ohms 18,52 deg 860 MHz

Physical Length (L) Width (W)

Electrical Characteristics L7’’ Impedanse Electrical Length Frequency

20,5 mm 4,0 mm

Physical Characteristic L6’’

Electrical Characteristics L7’ Impedanse Electrical Length Frequency

3,9 mm 4,0 mm

Physical Characteristic L6’

Electrical Characteristics L6’’ Impedanse Electrical Length Frequency

13,8 mm 4,0 mm

12,3 mm 4,0 mm

Physical Characteristic L7’’

50,0 Ohms 49,7 deg 860 MHz

Physical Length (L) Width (W)

33,1 mm 4,0 mm

На рис.3.24 приведена топология микрополосковой конструкции печатной платы усилителя мощности.

Карякин В.Л.

80

Компьютерные технологии проектирования усилителей мощности телевизионных радиопередатчиков

Рисунок 3.24 3.1.5. Оценка энергетических характеристик усилителя мощности Для расчета необходимой мощности возбуждения усилителя вначале найдем коэффициенты передачи входной и выходной цепей согласования. Для построения зависимости коэффициента передачи G от частоты в диапазоне 850…870 МГц необходимо открыть проект входной цепи, добавить на схеме второй порт (рис.3.25).

Рисунок 3.25

Карякин В.Л.

81

Компьютерные технологии проектирования усилителей мощности телевизионных радиопередатчиков

В проект необходимо добавить график. На основной панели найдите кнопку Add Graph (добавить график) и щелкните ее. Появиться окно Create Graph (формат графика). Установите Rtctangular

и в окно Graph name введите

заголовок графика Graph2 (Рис.3.25).

Рисунок 3.26 Нажмите OK. График имеет следующий вид.

Рисунок 3.27

Карякин В.Л.

82

Компьютерные технологии проектирования усилителей мощности телевизионных радиопередатчиков

Задайте расчетные величины для второго графика, щелкните правой клавишей на строке Graph 2 и выберите Add Measurement (добавить вычисления). Появится следующая форма:

Рисунок 3.28 В окне Meas. Type (тип вычислений) выберите Port Parameters. В окне Measurement (расчет) выберите G (G Parameters). В окне Data Source Name выберите Untitled 1. Нажмите Apply (применить). Нажмите OK. Зависимость коэффициента передачи G от частоты представлена на рис. 3.29. Потери коэффициента усиления по мощности на частоте 860 МГц составляют 3,28 дБ. Неравномерность коэффициента передачи в диапазоне 850…870 менее 1 дБ.

Рисунок 3.29 Карякин В.Л.

83

Компьютерные технологии проектирования усилителей мощности телевизионных радиопередатчиков

Откроем проект выходной цепи согласования и добавим в схему второй порт для оценки коэффициента передачи G в диапазоне рабочих частот усилителя мощности. Результаты анализа работы схемы представлены на рис.3.31.

Рисунок 3.30

Рисунок 3.31

Карякин В.Л.

84

Компьютерные технологии проектирования усилителей мощности телевизионных радиопередатчиков

Зависимость коэффициента передачи

G от частоты

для выходной цепи

согласования представлена на рис. 3.32.

Рисунок 3.32 Воспользовавшись зависимостью выходной мощности мощности возбуждения PIN

POUT от

входной

(рис.2.2), а также результатами исследования

входной и выходной согласующих цепей, нетрудно определить общий коэффициент усиления и мощность возбуждения усилителя.

PВОЗБ =

PВЫХ 0,5 = = 0,1 Вт K ВХ K У K ВЫХ 0,466 ⋅ 10 ⋅ 1,05

Здесь PВЫХ − мощность на выходе усилителя;

K ВХ − коэффициент передачи входной цепи согласования;

K У − коэффициент усиления транзистора на частоте 860 МГц; K ВЫХ − коэффициент передачи выходной цепи согласования. Следует отметить, что входная согласующая цепь обладает низким коэффициентом передачи. При решении вопроса о выборе схемных решений Карякин В.Л.

85

Компьютерные технологии проектирования усилителей мощности телевизионных радиопередатчиков

необходимо

учитывать,

что

параметрам

согласующих

существуют цепей.

противоречивые

Во-первых,

требования

необходимо

к

обеспечить

согласование в рабочем диапазоне частот, и, во-вторых, потери мощности должны быть минимальны. 3.2. Методические указания к лабораторной работе «Исследование усилителя мощности в режиме класса А » Цель работы: Изучение основ компьютерного моделирования с помощью пакета программ Microwave Office 2001. Получение практических навыков исследования и разработки усилителей мощности телевизионных передатчиков на зарубежных транзисторах. При конструировании сложной радиотехнической аппаратуры компьютерное моделирование существенно сокращает время натурного эксперимента, повышает качество и надежность работы устройства, значительно уменьшает риск выхода из

строя

транзисторов

в

процессе

настройки

усилителей

мощности

радиопередатчиков. Литература: Электронное методическое пособие к данной лабораторной работе. Подготовка к работе Изучить методическое пособие к данной лабораторной работе. Подготовить ответы на контрольные вопросы. Контрольные вопросы: 1. Для каких целей используется пакет программ Microwave Office 2001? 2. Расскажите о возможностях Microwave Office 2001.

Карякин В.Л.

86

Компьютерные технологии проектирования усилителей мощности телевизионных радиопередатчиков

3. Какие основные этапы выполнения работ требуется выполнить для моделирования усилителя мощности телевизионного передатчика? 4. С какой целью в усилитель мощности (генератор с внешним возбуждением) ставится согласующая цепь? 5. В чем заключается анализ схемы усилителя мощности? 6. Какие требования предъявляются к транзисторам усилителей мощности? 7. В чем специфика выбора транзисторов для телевизионных передатчиков? 8. Каким образом оцениваются нелинейные искажения в транзисторах? 9. Приведите пример построения компьютерной модели входной цепи транзистора. 10. Приведите

пример

построения

компьютерной

модели

выходной

цепи транзистора. 11. В чем отличие усилителей мощности в режиме класса А и АВ? 12. На какие параметры следует обращать внимание при анализе согласующих цепей усилителя мощности? 13. Поясните принцип компьютерных методов анализа и синтеза схем усилителей мощности телевизионных передатчиков? Методические указания к выполнению работы 1. По заданию преподавателя необходимо выбрать схему усилителя мощности, диапазон рабочих частот. 2.

Выбрать

транзисторы,

рассчитать

или

задаться

параметрами

схемы,

сопротивлением нагрузки согласующих цепей усилителя мощности. Нагрузкой согласующей цепи является входное (выходное) сопротивление активного элемента генератора с внешним возбуждением. В общем случае нагрузка цепи согласования носит комплексный характер. Исходные данные по нагрузке для компьютерного

моделирования

задаются Карякин В.Л.

из

справочной

литературы

по 87

Компьютерные технологии проектирования усилителей мощности телевизионных радиопередатчиков

транзисторам или из результатов натурных экспериментов, проводимых с помощью измерителя комплексных сопротивлений. 3. В соответствии с методическими указаниями, изложенными в главе 3

по

использованию пакета Microwave Office 2001 осуществить запуск программы. 4. Провести анализ схемы. В результате анализа получить зависимость активной и реактивной составляющих входного сопротивления исследуемой цепи в диапазоне рабочих частот. 5. Провести параметрическую оптимизацию (синтез) цепи, установив на средней частоте активное входное сопротивление 50 Ом. 6. Оценить точность согласования в диапазоне рабочих частот, которая зависит от вида используемой схемы, алгоритма настройки элементов цепи. 7. Определить требуемую мощность возбуждения усилителя с учетом потерь в цепях согласования. 8. Сделать выводы по лабораторной работе, сформулировать рекомендации по выбору схемы усилителя мощности для решения конкретной технической задачи. 9. Подготовить отчет по проделанной работе в электронном варианте.

Карякин В.Л.

88

Компьютерные технологии проектирования усилителей мощности телевизионных радиопередатчиков

4. Исследование двухтактных усилителей мощности с использованием пакета программ Microwave Office 2001 В предыдущем разделе учебного пособия даны результаты исследования однотактных усилителей мощности телевизионных передатчиков.

Пакет

программ Microwave Office 2001 позволяет также эффективно использовать компьютерные технологии анализа и синтеза топологии

более сложных

электрических схем двухтактных усилителей мощности. Перейдем к пошаговому рассмотрению методики исследования двухтактных усилителей мощности телевизионных передатчиков с помощью программных средств Microwave Office 2001. 4.1. Методические указания по использованию пакета Microwave Office 2001 В качестве исходных данных для анализа и синтеза усилителя мощности могут служить схемы, рекомендуемые фирмами изготовителями транзисторов. В таких схемах, как правило, имеется информация о параметрах входных и выходных цепей согласования для одной из рабочих частот. Поэтому вначале необходимо провести анализ работы схемы на основании исходных данных, убедиться в ее работоспособности, а затем синтезировать параметры согласующих цепей, обеспечивающих требуемые технические характеристики усилителя в заданном частотном диапазоне. В результате проведенных исследований необходимо получить топологию печатной платы усилителя мощности в микрополосковом исполнении.

Карякин В.Л.

89

Компьютерные технологии проектирования усилителей мощности телевизионных радиопередатчиков

4.1.1. Исходные данные Вначале задаемся выходной мощностью усилителя 12 Вт. Полагаем, что усилитель должен работать на 69 телевизионном канале, что соответствует рабочему диапазону частот 854,0…862,0 МГц. За основу для исследования можно принять схему, представленную на рис.4.1.

Рисунок 4.1 Данная схема рекомендована фирмой GHz TECHNOLOGY. Номиналы элементов схемы, параметры входных и выходных цепей согласования на частоте 860 МГц следующие:

Карякин В.Л.

90

Компьютерные технологии проектирования усилителей мощности телевизионных радиопередатчиков

4.1.2. Исследование входной цепи согласования усилителя мощности Вначале проведем анализ работы широкополосного трансформатора на коаксиальных линиях (рис.4.2), обеспечивающего противофазное возбуждение транзисторов двухтактного усилителя мощности.

Рисунок 4.2

Карякин В.Л.

91

Компьютерные технологии проектирования усилителей мощности телевизионных радиопередатчиков

Рассмотрим работу схемы в диапазоне частот 850…870 МГц. На рис.4.3 представлена

общая

картина

компьютерного

моделирования

трансформаторной схемы противофазного возбуждения двухтактной схемы.

Рисунок 4.3 В схеме использован 50-омный порт, моделирующий источник возбуждения. Сопротивления нагрузки активные

R1=R2=50 Ом

моделируют входные сопротивления цепей согласования анализируемой схемы (рис.4.1). Высокочастотный трансформатор выполнен на коаксиальной линии с волновым сопротивлением 50 Ом. Параметры линии, обеспечивающие требуемое возбуждение в диапазоне частот от 850 до 870 МГц, представлены на рис.4.2. Исследование проведено на комплексной плоскости (рис.4.4).

Карякин В.Л.

92

Компьютерные технологии проектирования усилителей мощности телевизионных радиопередатчиков

Рисунок 4.4 Из рис. 4.4 следует, что коэффициент трансформации сопротивлений в диапазоне рабочих частот от 850 до 870 МГц неизменный - 1:2. Коэффициент передачи G21 также не зависит от частоты (рис.4.5).

Рисунок 4.5

Карякин В.Л.

93

Компьютерные технологии проектирования усилителей мощности телевизионных радиопередатчиков

Из данных к рис.4.1 можно записать физические параметры микрополосковых линий входной цепи ( L3, L4, L6, L7) усилителя мощности: L3, L4 - (2,0 х 16,5) мм . Толщина материала 0,83 мм. Проницаемость ε = 2,74. Воспользуемся пакетом программ Microwave Office 2001, для этого из меню Windows (окно) выбрать TXLine. Нажав на кнопку TXLine, установить в появившемся калькуляторе (рис.4.6) физические параметры микрополосковой линии:

Рисунок 4.6 Physical Characteristic Physical Length (L) Width (W) Gap (G) Height (H) Thickness (T)

16,5 2,0 1,0 0,83 0,1

mm mm mm mm mm

Material Parameters Dielectric Const

2,74

Карякин В.Л.

94

Компьютерные технологии проектирования усилителей мощности телевизионных радиопередатчиков

Установить рабочую частоту Frequence 860 MHz,нажать на верхнюю кнопку, обозначенную стрелкой

, получим результат синтеза электрических

характеристик микрополосковых линии L3, L4 (рис.4.6) : Electrical Characteristics L3, L4 Impedanse Electrical Length Frequency

49,97 Ohms 24,761 deg 860 MHz

По заданным физическим параметрам микрополосковых линий входной цепи усилителя мощности

L6, L7 – (3,1 х 8,0) мм с помощью пакета программ

Microwave Office 2001 нетрудно найти электрические характеристики L6, L7 (Рис.4.7).

Рисунок 4.7

Electrical Characteristics L6, L7 Impedanse Electrical Length Frequency

37,834 Ohms 12,267 deg 860 MHz Карякин В.Л.

95

Компьютерные технологии проектирования усилителей мощности телевизионных радиопередатчиков

Нагрузкой входной цепи усилителя мощности служит входное сопротивление транзистора UTV120 на частоте 860 МГц, которое можно найти по графикам рис.2.6. R= 5,5 Ом, ХL = 9,0 Ом, L =

XL = 1,66 нГн, где f = 860 МГц. 2πf

(4.1)

Рассмотрим алгоритм иследования входных цепей усилителя мощности с помощью пакета программ Microwave Office 2001. Шаг 1: Начать новый Проект Из меню File (файл) выбрать New Project (новый проект). Далее выберите Save Project As и задайте имя проекту, например, UM1 и нажмите кнопку Сохранить. Шаг 2: Создать новую схему Открыть меню Project (проект), Add Schematic (добавить схему), выбрать команду New Schematic (новую схему). В форме Create New Schematic можно оставить Untitled 1, либо ввести название для новой схемы. Далее нажмите OK.

Рисунок 4.8 Шаг 3: Активизация окна просмотра элементов Щелкните на закладке Elem. Шаг 4: Размещение элементов схемы Карякин В.Л.

96

Компьютерные технологии проектирования усилителей мощности телевизионных радиопередатчиков

-

Щелкните + Transmission Lines, Phase. Схватите и перетащите на окно Untitled 1 шесть элементов TLIN.

-

Щелкните + Lumped Element. Щелкните Capacitor. Схватите и перетащите в окно Untitled 1 восемь элементов CAP.

-

Щелкните Resistor. Схватите и перетащите в окно Untitled 1 два элемента RES.

-

Щелкните Inductor. Схватите и перетащите в окно Untitled 1 два элемента IND.

-

Щелкните Coaxial, Electrical. Схватите и перетащите в окно Untitled 1 элемент COAX4.

Шаг 5: Добавление портов и земли Добавить к схеме порт и землю можно несколькими способами. Например, на основной панели найдите кнопку Add Port и щелкните ее. Присоедините изображение порта к схеме. Найдите кнопку Add Ground и щелкните ее. Присоедините изображение земли к схеме. Шаг 6: Перемещение поясняющего текста в схеме Для лучшего восприятия схемы пояснительный текст можно перемещать по схеме. Для этого достаточно щелкнуть на тексте и перетащить его в нужное место. Шаг 11: Поворот элементов Подведите курсор к элементу схемы, нажмите правую клавишу мыши и щелкните на Rotate, чтобы повернуть элемент на угол в 90-градусов. Шаг 12: Соединение элементов схемы Соедините элементы схемы между собой и введите номиналы элементов в соответствии со схемой рис.4.1. Номиналы нагрузки введите из (4.1). Карякин В.Л.

97

Компьютерные технологии проектирования усилителей мощности телевизионных радиопередатчиков

Ваша схема будет иметь следующий вид (рис.4.9).

Рисунок 4.9 Шаг 13: Задание диапазона частот Для задания рабочего диапазона частот, сначала перейдите обратно в Проект нажимая на закладку Proj расположенную внизу основного окна. Наведите курсор мышки на Project Freqyency (частота проекта), вверху окна и дважды щелкните. Появиться форма Frequency Range. Введите начальную частоту Start 850 MHz, конечную частоту Stop 870 MHz и шаг 1 MHz. Щелкните на кнопке Apply (применить). В окне Current Range появится заданный диапазон (рис.4.10). Нажмите OK.

Карякин В.Л.

98

Компьютерные технологии проектирования усилителей мощности телевизионных радиопередатчиков

Рисунок 4.10 Шаг 14: Добавление графика Для построения зависимости входного сопротивления Z11 от частоты в диапазоне 850…870 МГц в проект нужно добавить график. На основной панели найдите кнопку Add Graph (добавить график) и щелкните ее. Появиться окно Create Graph (формат графика)

Рисунок 4.11 Установите Smith Chart (диаграмма Смита) и в окно Graph name введите заголовок графика Graph 1. Нажмите OK. График имеет следующий вид.

Карякин В.Л.

99

Компьютерные технологии проектирования усилителей мощности телевизионных радиопередатчиков

Рисунок 4.12 Шаг 15: Выбор расчетных величин Задайте расчетные величины для первого графика, щелкните правой клавишей на строке Graph 1 и выберите Add Measurement (добавить вычисления). Появится следующая форма:

Рисунок 4.13

Карякин В.Л.

100

Компьютерные технологии проектирования усилителей мощности телевизионных радиопередатчиков

В окне Meas. Type (тип вычислений) выберите Port Parameters. В окне Measurement (расчет) выберите Z (Z Parameters). В окне Data Source Name выберите Untitled 1. Нажмите Apply (применить). Нажмите OK. Шаг 16: Анализ работы цепи Начните расчет, нажав на кнопку, которая выглядит похожей на след молнии. Построится график подобный графику изображенному ниже.

Рисунок 4.14 Стрелки на годографе указывают направление, соответствующее увеличению частоты. Установив курсор в любую точку годографа, можно определить r11, x11, частоту возбуждения. В диапазоне частот 850…870 МГц годограф не проходит точку 1.0, соответствующую входному сопротивлению согласующей цепи

Z11=r11=50 Ом

(x11=0). Входное сопротивление носит комплексный характер. График позволяет

Карякин В.Л.

101

Компьютерные технологии проектирования усилителей мощности телевизионных радиопередатчиков

дать количественную оценку степени согласования активного элемента с источником возбуждения. Из рассмотрения рис.4.14 следует, что необходима параметрическая оптимизация схемы для получения согласования в заданном диапазоне частот. Шаг 17: Синтез принципиальной схемы цепи Пакет программ позволяет провести параметрический синтез принципиальной схемы. Учитывая

полную

симметрию

схемы

возбуждения

транзисторов,

параметрический синтез проведем для одной половины схемы (рис.4.15).

Рисунок 4.15 Входное сопротивление схемы в соответствии с результатами анализа (рис.4.2) должно быть активным и равным 25 Ом. Для того чтобы выбрать оптимальные параметры элементов схемы, нажмите на кнопку Tune Tool, которая похожа на отвертку. Затем, используйте ее как Карякин В.Л.

102

Компьютерные технологии проектирования усилителей мощности телевизионных радиопередатчиков

указку, пометьте нужные параметры и они попадут в Тюнер. Для выхода из этого режима достаточно нажать клавишу Esc. Каждый параметр элемента схемы, выбранный для регулирования, становится синим. При нажатии на клавишу Tune создаются движки в окне Variable Tuner (тюнер переменных). Перемещая движки вверх или вниз, наблюдайте за изменениями графика Z11. Компьютерное

моделирование

реальной

схемы

позволяет

установить

чувствительность настройки элементов согласующего устройства, выявить качественную и количественную связь параметров звеньев и точность работы согласующего устройства в заданном диапазоне рабочих частот. Добившись

оптимальных

параметров

(рис.4.16)

схемы

согласования,

щелкните кнопку Sweep. Закройте Тюнер нажав кнопку Close.

Рисунок 4.16 В данном случае оптимальному входному сопротивлению схемы на диаграмме Смита (рис. 4.17)

соответствует координата точки

Карякин В.Л.

0,5 на

103

Компьютерные технологии проектирования усилителей мощности телевизионных радиопередатчиков

Рисунок 4.17 действительной оси, что соответсвует активному входному сопротивлению схемы 25 Ом. Составим полную схему входной цепи (рис.4.18).

Рисунок 4.18

Карякин В.Л.

104

Компьютерные технологии проектирования усилителей мощности телевизионных радиопередатчиков

Анализ работы схемы на диаграмме Смита (рис.4.19) подтверждает, что она обеспечивает оптимальное согласование в рабочем диапазоне частот.

Рисунок 4.19 Шаг 18: Пояснительная записка Создайте пояснительную записку к этому проекту. Вызовите текстовый редактор Design Notes, два раза щелкнув на нем. В появившемся окне напишите, например, «Входная согласующая цепь усилителя мощности» (рис.4.20). Шаг 19: Сохранение всего проекта Для сохранения всего Проекта на диске, из меню File (файл) выберите Save (сохранить) или Save As (сохранить как). Перейдем к

исследованию выходной цепи согласования

усилителя

мощности.

Карякин В.Л.

105

Компьютерные технологии проектирования усилителей мощности телевизионных радиопередатчиков

Рисунок 4.20

Карякин В.Л.

106

Компьютерные технологии проектирования усилителей мощности телевизионных радиопередатчиков

4.1.3. Исследование выходной цепи согласования усилителя мощности Из данных к рис.4.1 можно записать физические параметры микрополосковых линий выходной цепи ( L10, L11) усилителя мощности: L10, L11 - (3,1 х 34) мм . Толщина материала 0,83 мм. Проницаемость ε = 2,74. Методика расчета электрических параметров микрополосковых линий по заданным физическим характеристикам описана в разделе 4.1.2. На рис.4.21 представлены результаты расчета

Рисунок 4.21 Physical Characteristic Physical Length (L) Width (W) Gap (G) Height (H) Thickness (T)

34,0 3,1 1,0 0,83 0,1

mm mm mm mm mm

Карякин В.Л.

107

Компьютерные технологии проектирования усилителей мощности телевизионных радиопередатчиков

Material Parameters Dielectric Const

2,74

Electrical Characteristics L6 Impedanse Electrical Length Frequency

39,6 Ohms 53,3 deg 860 MHz

По графикам рис.2.36 определим выходное сопротивление транзистора UTV120 на частоте 860 МГц и вычислим величину индуктивности. R= 1,5 Ом, ХL = 2,6 Ом, L =

XL = 0,5 нГн, где f = 860 МГц. 2πf

(4.2)

Алгоритм исследования цепей согласования с помощью пакета программ Microwave Office 2001 подробно рассмотрен в предыдущем разделе, поэтому здесь приведем только основные результаты исследования выходной цепи. Как и в предыдущем разделе, учитывая симметрию схемы, рассмотрим вначале компьютерную модель выходной цепи согласования для одного плеча (рис.4.22).

Рисунок 4.22

Карякин В.Л.

108

Компьютерные технологии проектирования усилителей мощности телевизионных радиопередатчиков

Результаты анализа данной схемы приведены на рис.4.23.

Рисунок 4.23 Стрелки на годографе указывают направление, соответствующее увеличению частоты. Установив курсор в любую точку годографа, можно определить r11, x11, частоту возбуждения. В диапазоне частот 850…870 МГц годограф не проходит точку

0,5 на

действительной оси, соответствующей входному сопротивлению согласующей цепи

Z11=r11=25 Ом (x11=0). Входное сопротивление реактивное. График

позволяет дать количественную оценку степени согласования активного элемента с источником возбуждения. Из рассмотрения рис.4.23 следует, что необходима параметрическая оптимизация схемы для получения согласования в заданном диапазоне частот. Пакет программ позволяет провести параметрический синтез принципиальной схемы. Для того чтобы выбрать оптимальные параметры элементов схемы, нажмите на кнопку Tune Tool, которая похожа на отвертку. Затем, используйте ее Карякин В.Л.

109

Компьютерные технологии проектирования усилителей мощности телевизионных радиопередатчиков

как указку, пометьте нужные параметры и они попадут в Тюнер. Для выхода из этого режима достаточно нажать клавишу Esc. Каждый параметр элемента схемы, выбранный для регулирования, становится синим. При нажатии на клавишу Tune создаются движки в окне Variable Tuner (тюнер переменных). Перемещая движки вверх или вниз, наблюдайте за изменениями графика Z11. Компьютерное

моделирование

реальной

схемы

позволяет

установить

чувствительность настройки элементов согласующего устройства, выявить качественную и количественную связь параметров звеньев и точность работы согласующего устройства в заданном диапазоне рабочих частот. Добившись оптимальных параметров (рис.4.24, 4.25) схемы согласования, щелкните кнопку Sweep. Закройте Тюнер нажав кнопку Close.

Рисунок 4.24

Карякин В.Л.

110

Компьютерные технологии проектирования усилителей мощности телевизионных радиопередатчиков

Рисунок 4.25 Составим полную схему выходной цепи (рис.4.26).

Рисунок 4.26

Карякин В.Л.

111

Компьютерные технологии проектирования усилителей мощности телевизионных радиопередатчиков

Анализ работы схемы на диаграмме Смита (рис.4.27) подтверждает, что она обеспечивает оптимальное согласование в рабочем диапазоне частот.

Рисунок 4.27 Результаты проведенных исследований позволяют перейти к составлению топологии микрополосковой конструкции усилителя мощности на транзисторе

UTV120. 4.1.4. Разработка топологии печатной платы микрополосковой конструкции усилителя мощности Исходными данными для проектирования микрополосковой конструкции являются: •

исходная анализируемая схема (рис.4.1);

Карякин В.Л.

112

Компьютерные технологии проектирования усилителей мощности телевизионных радиопередатчиков

•

принципиальные схемы (рис. 4.18, 4.26) цепей согласования усилителя мощности, полученные в результате компьютерного синтеза. Переход

от

электрических

характеристик

микрополосковых

линий

к

физическим осуществляется с помощью калькулятора. Для этого воспользуемся пакетом программ Microwave Office 2001. Из меню Windows (окно) выбрать TXLine.

Нажав на кнопку TXLine, установить в

появившемся калькуляторе электрические характеристики микрополосковой линии TL1, TL4 (рис.4.18): Electrical Characteristics Impedanse Electrical Length Frequency

50,0 Ohms 21,4 deg 860 MHz

Устанавливается также часть физических параметров: Physical Characteristic

Material Parameters

Gap (G) 1,0 mm Dielectric Const 2,74 Height (H) 0,83 mm Thickness (T) 0,1 mm Установить рабочую частоту Frequence 860 MHz, нажать на нижнюю кнопку, обозначенную стрелкой , получим физические характеристики микрополосковой линии (рис.4.28):

Рисунок 4.28 Карякин В.Л.

113

Компьютерные технологии проектирования усилителей мощности телевизионных радиопередатчиков

Physical Characteristic TL1, TL4 (рис.4.18): Physical Length (L) 14,3 mm Width (W) 2,0 mm Результат расчета физических характеристик микрополоскосковых линий по заданным электрическим характеристикам (из рис.4.18, 4.26) следующий: Входная цепь согласования (рис.4.18) Electrical Characteristics TL1, TL4 Impedanse Electrical Length Frequency

50,0 Ohms 21,4 deg 860 MHz

Physical Length (L) Width (W)

Electrical Characteristics TL2, TL5 Impedanse Electrical Length Frequency

50,0 Ohms 18,8 deg 860 MHz

14,3 mm 2,0 mm

Physical Characteristic TL2, TL5 Physical Length (L) 12,5 mm Width (W) 2,0 mm

Electrical Characteristics TL3, TL6 Impedanse Electrical Length Frequency

Physical Characteristic TL1, TL4

38,0 Ohms 9,5 deg 860 MHz

Physical Characteristic TL3, TL6 Physical Length (L) 6,2 Width (W) 3,1

mm mm

Выходная цепь согласования (рис.4.26) Electrical Characteristics TL1, TL4 Impedanse 23,75 Ohms Electrical Length 10,8 deg Frequency 860 MHz Electrical Characteristics TL2, TL3 Impedanse

17,6 Ohms

Physical Characteristic TL1, TL4 Physical Length (L) 6,8 mm Width (W) 5,9 mm

Physical Characteristic TL2, TL3 Physical Length (L)

Карякин В.Л.

4,9 mm

114

Компьютерные технологии проектирования усилителей мощности телевизионных радиопередатчиков

Electrical Length Frequency

7,9 deg 860 MHz

Width (W)

8,6 mm

На рис.4.29 приведена топология микрополосковой конструкции печатной платы усилителя мощности.

Рисунок 4.29 4.1.5. Оценка энергетических характеристик усилителя мощности Зависимость коэффициента передачи согласования представлена на рис. 4.5.

G21 от частоты для входных цепей На частоте 860 МГц

G21

ВХ

= 0,9.

Выходные цепи согласования имеют на частоте 860 МГц коэффициент передачи G21 ВЫХ = 0,5 (рис.4.24). Воспользовавшись зависимостью выходной мощности POUT от входной мощности возбуждения PIN

для транзистора UTV120

(см. раздел 2.1.2),

Рисунок 4.30 Карякин В.Л.

115

Компьютерные технологии проектирования усилителей мощности телевизионных радиопередатчиков

а также результатами исследования входной и выходной согласующих цепей, нетрудно определить общий коэффициент усиления и мощность возбуждения усилителя.

PВОЗБ =

PВЫХ 12 = = 4,8 Вт K ВХ KУ K ВЫХ 0,9 ⋅ 9,3 ⋅ 0,5

Здесь PВЫХ − мощность на выходе усилителя;

K ВХ = G21ВХ − коэффициент передачи входной цепи согласования;

K У − коэффициент усиления транзистора на частоте 860 МГц; K ВЫХ = G21ВЫХ − коэффициент передачи выходной цепи согласования. Следует отметить, что выходная согласующая цепь обладает низким коэффициентом передачи. При решении вопроса о выборе схемных решений необходимо

учитывать,

что

параметрам

согласующих

существуют цепей.

противоречивые

Во-первых,

требования

необходимо

к

обеспечить

согласование в рабочем диапазоне частот, и, во-вторых, потери мощности должны быть минимальны. 4.2. Методические указания к лабораторной работе «Исследование усилителя мощности в режиме класса АВ » Цель работы: Изучение основ компьютерного моделирования с помощью пакета программ Microwave Office 2001. Получение практических навыков исследования и разработки усилителей мощности телевизионных передатчиков на зарубежных транзисторах. При конструировании сложной радиотехнической аппаратуры компьютерное моделирование существенно сокращает время натурного эксперимента, повышает

Карякин В.Л.

116

Компьютерные технологии проектирования усилителей мощности телевизионных радиопередатчиков

качество и надежность работы устройства, значительно уменьшает риск выхода из

строя

транзисторов

в

процессе

настройки

усилителей

мощности

радиопередатчиков. Литература: Электронное методическое пособие к данной лабораторной работе. Подготовка к работе Изучить методическое пособие к данной лабораторной работе. Подготовить ответы на контрольные вопросы. Контрольные вопросы: 1. Для каких целей используется пакет программ Microwave Office 2001? 2. Расскажите о возможностях Microwave Office 2001. 3. Какие основные этапы выполнения работ требуется выполнить для моделирования усилителя мощности телевизионного передатчика? 4. С какой целью в усилитель мощности (генератор с внешним возбуждением) ставится согласующая цепь? 5. В чем заключается анализ схемы усилителя мощности? 6. Какие требования предъявляются к транзисторам усилителей мощности? 7. В чем специфика выбора транзисторов для телевизионных передатчиков? 8. Каким образом оцениваются нелинейные искажения в транзисторах? 9. Приведите пример построения компьютерной модели входной цепи транзистора. 10. Приведите пример

построения

компьютерной

модели выходной

цепи транзистора. 11. В чем отличие усилителей мощности в режиме класса А и АВ? 12. На какие параметры следует обращать внимание при анализе согласующих цепей усилителя мощности? 13. Поясните

принцип компьютерных методов анализа и синтеза схем Карякин В.Л.

117

Компьютерные технологии проектирования усилителей мощности телевизионных радиопередатчиков

усилителей мощности телевизионных передатчиков? Методические указания к выполнению работы 1. По заданию преподавателя необходимо выбрать схему усилителя мощности, диапазон рабочих частот. 2.

Выбрать

транзисторы,

рассчитать

или

задаться

параметрами

схемы,

сопротивлением нагрузки согласующих цепей усилителя мощности. Нагрузкой согласующей цепи является входное (выходное) сопротивление активного элемента генератора с внешним возбуждением. В общем случае нагрузка цепи согласования носит комплексный характер. Исходные данные по нагрузке для компьютерного

моделирования

задаются

из

справочной

литературы

по

транзисторам или из результатов натурных экспериментов, проводимых с помощью измерителя комплексных сопротивлений. 3. В соответствии с методическими указаниями, изложенными в главе 3

по

использованию пакета Microwave Office 2001 осуществить запуск программы. 4. Провести анализ схемы. В результате анализа получить зависимость активной и реактивной составляющих входного сопротивления исследуемой цепи в диапазоне рабочих частот. 5. Провести параметрическую оптимизацию (синтез) цепи, установив на средней частоте активное входное сопротивление 50 Ом. 6. Оценить точность согласования в диапазоне рабочих частот, которая зависит от вида используемой схемы, алгоритма настройки элементов цепи. 7. Определить требуемую мощность возбуждения усилителя с учетом потерь в цепях согласования. 8. Сделать выводы по лабораторной работе, сформулировать рекомендации по выбору схемы усилителя мощности для решения конкретной технической задачи. 9. Подготовить отчет по проделанной работе в электронном варианте.

Карякин В.Л.

118

Компьютерные технологии проектирования усилителей мощности телевизионных радиопередатчиков

ЛИТЕРАТУРА 1. Проектирование радиопередатчиков: Учеб. Пособие для вузов / В.В. Шахгильдян, М.С. Шумилин, В.Б. Козырев и др.; Под ред. В.В.Шахгильдяна.- 4-е изд., перераб. и доп.- М.: Радио и связь, 2000,- 656 с. 2. Карякин В.Л., Карякин В.В. , Карякин Д.В. Современные технологии проектирования телевизионных передатчиков с использованием программного обеспечения «Microwave Office» .//Тезисы докладов VIII Российской научной конференции./Самара, ПГАТИ, 2001, с.105-106. 3.Http://www.semiconductors.philips.com 4.Устройства генерирования и формирования радиосигналов: Учебник для вузов/ Л.А. Белов, В.М. Богачев, М.В. Благовещенский и др.; Под ред. Г.М. Уткина, В.Н. Кулешова и М.В. Благовещенского.-2-е изд., перераб. и доп.- М.: Радио и связь, 1994.-416 с. 5. Радиопередающие устройства: Учебник для вузов/ В.В. Шахгильдян, В.Б. Козырев, А.А. Ляховкин и др.; Под ред. В.В. Шахгильдяна.- 3-е изд., перераб. и доп.- М.: Радио и связь, 1996.-560 с. 6. Рэд Э. Справочное пособие по высокочастотной схемотехнике: Схемы, блоки, 50-омная техника: Пер. с нем. – М.: Изд. «Мир»,1990.-256 с. 7. Охрана труда на предприятиях связи и охрана окружающей среды: Учебник для вузов/ Н.И. Баклашов, Н.Ж. Китаева Б.Д. Терехов. – М.: Радио и связь, 1989.288 с. 8. Радиопередающие устройства/ М.В. Балакирев, Ю.С. Вохмяков, А.В. Журиков и др. ; Под ред. О.А. Челнокова.- М.: Радио и связь, 1982.-256 с. 9. Справочник по расчету и конструированию СВЧ полосковых устройств/ С.И. Бахарев, В.И. Вольман, Ю.И. Либ и др. ; Под ред. В.И. Вольмана.- М.: Радио и связь, 1982.-328 с. Карякин В.Л.

119

Компьютерные технологии проектирования усилителей мощности телевизионных радиопередатчиков

10. Проектирование и техническая эксплуатация радиопередающих устройств/ М.А. Сиверс, Г.А. Зейтленок, Ю.Б. Несвижский и др.:Учеб. Пособие для вузов.М.: Радио и связь, 1989.-368 с.

Карякин В.Л.

120