Способы расширения полосы пропускания усилителя

4. 1. Схемотехника построения антенных усилителей

Электронное устройство, предназначенное для увеличения параметров (тока, напряжения, мощности) электрического сигнала, называется усилителем.

Основной усилительный элемент в схемах антенных усилителей -высокочастотный транзистор, который подбирается по характеристикам при проектировании конкретных схем для MB и ДМВ диапазонов ТВ вещания.

Рабочий режим выбранного транзистора в конкретной проектируемой схеме отличается от параметров, приведенных в ТУ. Значение большинства параметров зависит от рабочего режима и температуры, причем с увеличением температуры зависимость их от режима сказывается более сильно. В справочной литературе, как правило, приводятся типовые (усредненные) зависимости параметров транзисторов от тока, напряжения, частоты и т. д.

Весьма важными параметрами при выборе транзисторов для антенных усилителей являются: граничная частота — frp, коэффициент шума —Кш, коэффициент усиления по напряжению — Ки и некоторые другие.

Ухудшение характеристик транзисторов на частотах, близких к frp. обусловлено технологическими возможностями и их электрической прочностью (допустимой толщиной базы, длиной затвора). С увеличением частоты возрастает влияние паразитных параметров транзисторов:

междуэлектродных емкостей, индуктивностей выводов, сопротивления базы и др. Увеличение входной резистивной проводимости транзистора уменьшает усиление антенного усилителя и увеличивает Кш, поэтому необходимо уменьшать индуктивность вывода эмиттера и соединительных проводов. Для этого в СВЧ-транзисторах делают два плоских коротких вывода эмиттера, которые обычно припаивают непосредственно к шине нулевого потенциала («земляной»).

В усилителях изменением режима транзисторов и связи с источником и нагрузкой можно добиться максимального усиления либо минимального коэффициента шума. Уровень шумов транзисторных антенных усилителей зависит от способа их

построения и режима работы, величины сопротивления источника сигналов. Снижение шума биполярных транзисторов достигается уменьшением тока коллектора Iк и тока базы Iб (без существенного снижения коэффициента передачи тока h21, а также применением транзисторов

с высокой предельной частотой fв и малым сопротивлением rб. Транзисторы выбирают так, чтобы выполнялось условие

где: fгp — граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером.

Использование транзисторов с низким коэффициентом шума, выполнение условия согласования их с источником и нагрузкой и выбор оптимального режима работы являются основными способами повышения чувствительности антенных усилителей.

Наиболее распространены три схемы включения усилительного элемента (транзистора).

В схемах с ОБЩИМ КОЛЛЕКТОРОМ (ОК) и ОБЩИМ СТОКОМ (ОС) коэффициент передачи напряжения близок к единице, а выходной сигнал по величине и фазе повторяет входной (Uвыx=Uвx). Эти каскады называют «повторителями напряжения» (эмиттерный или стоковый повторитель). Такая схема включения обеспечивает малую входную емкость и наибольшее входное сопротивление, которое сильно возрастает при увеличении сопротивления нагрузки. Выходное сопротивление схемы наименьшее. Используются эти схемы как согласующие и разделительные, обеспечивающие передачу сигнала от высокоомных источников к низкоомным цепям и каскадам.

В схемах с ОБЩЕЙ БАЗОЙ (ОБ) и ОБЩИМ ЗАТВОРОМ (03) выходной ток примерно равен входному, поэтому их называют «повторителями тока». Такая схема обладает большой входной проводимостью (малым входным сопротивлением), самым большим по сравнению с другими схемами выходным сопротивлением и обеспечивает в основном усиление по напряжению. Коэффициент усиления по току мало изменяется при изменениях режима работы, температуры и замене экземпляров транзистора. Малая входная емкость схемы улучшает параметры каскада (ОБ, 03) на высоких частотах, хотя малое входное сопротивление является недостатком данных схем.

Схема с ОБЩИМ ЭМИТТЕРОМ (ОЭ) для биполярных и, ОБЩИМ ИСТОКОМ (ОИ) для полевых транзисторов обеспечивает наибольшее усиление по мощности, но изменяет фазу выходного напряжения на 180° по отношению к входному. При увеличении сопротивления нагрузки входное сопротивление уменьшается. Используются эти схемы в тех случаях, когда при минимальном числе транзисторов требуется получить наибольшее усиление. Однако входная емкость транзисторов Сэб влияет на сужение полосы пропускания на высоких частотах.

Одним из эффективных методов увеличения входного сопротивления эмиттерного повторителя является увеличение коэффициента передачи транзистора по току h21э. В схеме «суперальфа» (называемой также схемой Дарлингтона) ток эмиттера первого транзистора управляет базой второго транзистора, в связи с чем результирующий коэффициент передачи тока h21э равен произведению коэффициентов передачи по току отдельных транзисторов. Отсюда

Путем различных сочетаний каскадов возможны построения других усилительных схем:

ОЭ=ОБ — каскадная схема, обладающая достаточно малыми внутренними шумами, и повышенной устойчивостью;

ОК=ОБ — дифференциальный усилитель, обладающий по сравнению с каскадной схемой тем преимуществом, что здесь происходит компенсация напряжения Uбэ обоих транзисторов.

4. 1. 1. Схемные особенности антенных усилителей

При усилении слабых телевизионных сигналов большое значение имеет уровень собственных шумов входных каскадов усилителей. Поэтому в телевизионных антенных усилителях используют СВЧ-транзисторы с низкими величинами шумовых параметров. На шумовые параметры антенных усилителей также влияют и паразитные параметры применяемых пассивных элементов — сопротивлений и емкостей.

Широкополосные антенные усилители предназначены для усиления сигналов в полосе частот нескольких диапазонов метровых и (или) дециметровых волн. Обычно широкополосный усилитель строится на основе резистивного усилительного каскада, обладающего наиболее равномерной частотной характеристикой в сравнительно широком диапазоне частот. Для расширения полосы пропускания как в сторону низких, так и в сторону высоких частот в схему вводятся специальные цепи коррекции. Однако характеристики транзисторов ухудшаются на верхних частотах, что приводит к сужению полосы пропускания усилителей на этих частотах. В узкополосных усилителях (в пределах полосы пропускания) изменением характеристик транзисторов можно пренебречь.

Апериодический (резистивный) усилитель с емкостной связью называется также RC-усилителем. Название схемы связано с характером сопротивления нагрузки RH и емкостной связью каскада с источником сигнала, или с предыдущим каскадом (или нагрузкой следующего каскада). Апериодические усилители обеспечивают высокую стабильность коэффициента усиления и высокую чувствительность при усилении слабых сигналов. Коэффициент усиления в диапазоне высоких частот можно рассчитать по формуле:

где f — частота, для которой определяют усиление;

Rвых — сопротивление, полученное при параллельном соединении Rн + Rвx2;

где Rэкв = сумма сопротивлений, шунтирующих выходной каскад Со — сумма емкостей, шунтирующих выходной каскад.

Коэффициент усиления в диапазоне низких частот можно рассчитать по формуле:

Избирательными (селективными) называют усилители, полоса пропускания (задержания) которых сужена для отделения сигналов в нужной полосе частот от сигналов, помех или шумов других частот. По принципу действия и схемному выполнению избирательные усилители можно разделить на резонансные, полосовые и т. д. Резонансные усилители предназначены для усиления сигналов в заданной узкой полосе частот. Основная их особенность состоит в том, что нагрузка каскада — частотно-зависимая, в качестве которой выступает параллельный LC-контур, настроенный на частоту усиливаемого сигнала. Колебательный контур можно включить в усилитель по трансформаторной, автотрансформаторной, емкостной схеме.

Рис. 4. 7. Способы согласования в селективных усилителях

Чем больше добротность контура, тем уже полоса пропускания усилителя, тем больше усиление. Подключая параллельно резонансному контуру сопротивление, можно уменьшать его добротность и тем самым влиять на коэффициент усиления и ширину полосы пропускания усилителя. Дополнительное преимущество селективных усилителей по сравнению с апериодическими заключается в компенсации настройкой колебательных контуров влияния паразитных емкостей монтажа, снижающих усиление на верхних частотах. Увеличивая полное сопротивление нагрузки, компенсируют паразитное емкостное влияние, тем самым повышая усиление. Последнее выполняют с селекцией, распределенной по каскадам усилителя либо сосредоточенной в одном каскаде — с помощью фильтра сосредоточенной селекции (ФСС).

4.1.2. Требования к усилительным устройствам

К параметрам, которые характеризуют схемы усилителей, относятся коэффициент усиления, неравномерность коэффициента усиления, полоса усиливаемых частот и др.

КОЭФФИЦИЕНТОМ УСИЛЕНИЯ (К) усилителя называют отношение выходной величины к входной. В зависимости от рассматриваемой электрической величины, различают коэффициенты усиления по напряжению. току и мощности.

КОЭФФИЦИЕНТ УСИЛЕНИЯ ПО НАПРЯЖЕНИЮ (Ku) — это отношение напряжения на выходе усилителя к входному:

Коэффициент усиления по напряжению в многокаскадных усилителях равен произведению коэффициентов усиления каждого каскада:

Кобщ. = K1 К2 К3 . (в относительных единицах) или

Кобщ = K1 + К2 + К3 + . (дБ).

КОЭФФИЦИЕНТ УСИЛЕНИЯ ПО ТОКУ(Ki)- это отношение выходного тока к входному:

КОЭФФИЦИЕНТ УСИЛЕНИЯ ПО МОЩНОСТИ (Кр) — это отношение выходной мощности к входной:

НЕРАВНОМЕРНОСТЬ КОЭФФИЦИЕНТА УСИЛЕНИЯ — величина, характеризующая изменение коэффициента усиления в пределах рабочего диапазона частот. Определяется как отношение максимального коэффициента усиления к минимальному в полосе усиливаемых частот.

АМПЛИТУДНО-ЧАСТОТНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА (АЧХ) — зависимость коэффициента усиления или амплитуды (напряжения) на выходе усилителя от частоты входного сигнала, неизменного по величине. Так как параметры элементов усилителей зависят от частоты, то величина выходного сигнала будет постоянной только в определенном диапазоне частот, называемом полосой пропускания.

ПОЛОСА ПРОПУСКАНИЯ (В) или ДИАПАЗОН УСИЛИВАЕМЫХ ЧАСТОТ- область частот, в которой коэффициент усиления изменяется не более, чем это допустимо по техническим условиям. Допустимые изменения коэффициента усиления в пределах полосы пропускания зависят от назначения и условий работы усилителя. Обычно считается допустимым ослабление уровня сигнала на 3 дБ (2^0.5 = 0,707 раз) по сравнению с максимальным значением на резонансной частоте (частотах). Ширина полосы пропускания определяется как разность между верхней fв и нижней fн граничными частотами. B=fв-fн. (4.10)

Рис. 4.8. Полоса пропускания усилителя

В зависимости от назначения антенные усилители могут быть относительно узкополосными [полоса пропускания менее октавы, fв/fн

ДИНАМИЧЕСКИЙ ДИАПАЗОН (Д) — диапазон уровней усиливаемых входных сигналов, ограничиваемый снизу собственным шумом и сверху допустимыми нелинейными искажениями сигнала:

Д= 20lg(Uвх.max/Uвх.min) (дБ). (4.11)

КОЭФФИЦИЕНТ ШУМА [F] — параметр канала приема (передачи), выражаемый отношением мощности сигнала к мощности шума и позволяющий численно оценить шумовые характеристики устройств (в большинстве случаев значение параметра указывается в децибелах).

Источник

Отрицательная обратная связь, часть 2: снижение чувствительности к коэффициенту усиления и увеличение полосы пропускания

Рассмотрев общую структуру отрицательной обратной связи, мы теперь продемонстрируем, как отрицательная обратная связь оказывает положительное влияние на две важные характеристики схем усилителей.

Вспомогательная информация

Чтобы вам не приходилось переключаться между страницами каждый раз, когда вы хотите обдумать общую структуру обратной связи, вот схема, представленная в предыдущей статье:

Рисунок 1 – Абстрактный усилитель с отрицательной обратной связью

Фундаментальный компромисс

В предыдущей статье мы видели, что добавление отрицательной обратной связи изменило общий коэффициент усиления схемы усилителя с A (то есть усиления исходного усилителя с разомкнутой петлей обратной связи) до приблизительно 1/ β , где β – коэффициент обратной связи, то есть доля от выходного сигнала, которая подается обратно и вычитается из управляющего сигнала (или опорного сигнала). Но теперь перед нами важный вопрос: что не так с А ? Почему бы просто не разработать усилитель без обратной связи так, чтобы получить необходимый коэффициент усиления, и забыть об отрицательной обратной связи?

Ну, теоретически это должно работать, но на самом деле гораздо проще добиться точного, устойчивого усиления от простой схемы обратной связи, чем от усилителя. Посмотрите на эти цифры для операционного усилителя LT6003 от Linear Technology:

Рисунок 2 – Фрагмент из технического описания операционного усилителя LT6003 от Linear Technology

Здесь у нас приведены характеристики усиления без обратной связи для современного операционного усилителя общего назначения от ведущего производителя аналоговых микросхем. Как бы вы почувствовали снижение коэффициента усиления на 80% вашей критически важной схемы усилителя? Тем не менее, обратите внимание, что эти коэффициенты усиления довольно высоки – от наихудшего случая 15 000 В/В до номинального значения 500 000 В/В при V_пит = 5 В. Таким образом, мы можем сделать правильный вывод. Сконструировать усилитель общего назначения с точным, постоянным коэффициентом усиления – сложно, а сконструировать усилитель общего назначения с очень высоким коэффициентом усиления – легко. Как вы, вероятно, уже поняли, отрицательная обратная связь является идеальным решением этой проблемы: простые пассивные компоненты, составляющие цепь обратной связи, обеспечивают точность и постоянство. А очень высокий коэффициент усиления усилителя без обратной связи делает коэффициент усиления с обратной связью менее чувствительным к тому типу экстремальных изменений, которые вы видите в приведенных выше технических спецификациях. Это иллюстрирует фундаментальный компромисс усилителя с отрицательной обратной связью – мы уменьшаем общее усиление, чтобы улучшить схему другими способами. Итак, давайте подробнее рассмотрим первое преимущество отрицательной обратной связи: снижение чувствительности к коэффициенту усиления.

Быть менее чувствительным хорошо

Мы уже обсуждали способность обратной связи сделать усилитель зависимым от β вместо A , поэтому здесь мы будем кратки. Под «снижением чувствительности к коэффициенту усиления» мы подразумеваем, что усиление схемы «усилитель плюс обратная связь» гораздо менее чувствительно к изменениям коэффициента усиления усилителя без обратной связи (с разомкнутой петлей обратной связи). Мы явно не указали, что бо́льшее снижение чувствительности достигается, когда усиление без обратной связи выше, а усиление с обратной связью меньше. Напомним формулу для усиления с обратной связью:

Мы можем интуитивно наблюдать, что любое изменение A , прежде чем оно повлияет на коэффициент усиления с обратной связью, делится на (1 + Aβ ). Немного посчитав, вы действительно сможете подтвердить, что отношение G_{ОС,старый}/G_{ОС,новый} уменьшается на коэффициент (1 + Aβ ) относительно A _старый/ A _новый. Таким образом, когда A очень высокий (как в типовых операционных усилителях), и β ограничен типовыми значениями (скажем, не менее 0,01, что соответствует коэффициенту усиления 100), величина (1 + Aβ ) достаточно велика, чтобы обеспечить минимальное влияние изменений A на коэффициент усиления с обратной связью. Например, представьте, что коэффициент усиления операционного усилителя без обратной связи в результате изменений температуры окружающей среды увеличивается на 10%, при этом начальный коэффициент усиления без обратной связи составляет 100000. Схема с обратной связью рассчитана на коэффициент усиления 10.

Можно с уверенностью сказать, что работа большинства систем не будет серьезно нарушена увеличением коэффициента усиления на 0,00009 В/В.

Расширяем полосу

Как упоминалось в предыдущей статье, реальные усилители не имеют единого значения коэффициента усиления, которое применяется к сигналам любой частоты. Большинство операционных усилителей включают в себя внутреннюю компенсацию, чтобы сделать их более стабильными, что приводит к уменьшению коэффициента усиления без обратной связи на 20 дБ/декада, начиная с очень низких частот. И даже в устройствах, которые специально разработаны и оптимизированы для работы на высоких частотах, паразитные индуктивности и емкости в конечном итоге приведут к снижению коэффициента усиления. Но не позволяйте этим ограничениям полосы пропускания приводить вас в уныние – нам может помочь отрицательная обратная связь.

Теперь, когда мы рассматриваем частотную характеристику усилителя, нам следует изменить формулу коэффициента усиления с обратной связью следующим образом, где G_ОС,НЧ и A _НЧ обозначают коэффициенты усиления с обратной связью и без обратной связи на частотах, намного меньших частоты среза без обратной связи.

Здесь нет ничего удивительного. Интересно то, что происходит с частотной характеристикой; если вы проанализируете коэффициент усиления с обратной связью как функцию частоты, вы обнаружите, что частота среза с обратной связью (f_ср,НЧ) связана с частотой среза без обратной связи (f_{ср, без ОС}) следующим образом:

Таким образом, в схеме «усилитель плюс обратная связь» мы фактически получаем значительно бо́льшую полосу пропускания. Отметим также, что, как и при снижении чувствительности к коэффициенту усиления, более высокое коэффициент усиления без обратной связи приводит к большему увеличению полосы пропускания.

Возможно, вы заметили здесь кое-что интересное: полоса пропускания увеличивается на коэффициент (1 + A _НЧ β ), а коэффициент усиления на низких частотах уменьшается на коэффициент (1 + A _НЧ β ). Это приводит к довольно элегантной связи, при которой уменьшение коэффициента усиления усилителя на определенный коэффициент вызывает увеличение полосы пропускания на тот же коэффициент. Это лучше всего пояснить на графиках частотных характеристик. Вот коэффициент усиления LT1638, операционного усилителя общего назначения от Linear Tech, без обратной связи.

Рисунок 3 – Зависимость коэффициента усиления LT1638 без обратной связи от частоты

Как и ожидалось, мы имеем спад 20 дБ/декада, начинающийся на очень низких частотах. Теперь давайте добавим обратную связь с β = 0,1 (что соответствует коэффициенту усиления 10).

Рисунок 4 – Зависимость коэффициента усиления LT1638 с обратной связью от частоты при β = 0,1

В этой схеме (1 + A _НЧ β ) ≈ (1 + 708 000 × 0,1) = 70 801 = 97 дБ. С помощью этого эксперимента мы можем легко подтвердить, что коэффициент усиления действительно уменьшается на 97 дБ. На следующем графике курсоры расположены вблизи двух частот среза.

Рисунок 5 – Уменьшение коэффициента усиления на частотах среза

Полоса пропускания увеличивается в 130 900 / 1,38 = 94 855 раз, что соответствует ожидаемому соотношению, но не совсем так, как мы прогнозируем. Результаты здесь менее точны, чем с коэффициентом усиления, поскольку математические соотношения предполагают идеальную однополюсную частотную характеристику, тогда как однополюсная характеристика является лишь приближением фактического коэффициента усиления операционного усилителя без обратной связи к частотным характеристикам.

Следующий график, который включает в себя кривые для двух дополнительных схем обратной связи, помогает проиллюстрировать обратную зависимость между коэффициентом усиления с обратной связью и шириной полосы пропускания с обратной связью: при увеличении коэффициента усиления полоса пропускания уменьшается.

Рисунок 6 – Зависимость между значением коэффициента усиления и шириной полосы пропускания

Произведение коэффициента усиления на ширину полосы пропускания равно.

Предшествующее обсуждение должно помочь вам понять, почему производители операционных усилителей могут кратко представить высокочастотные характеристики своих устройств, используя только одну простую спецификацию, а именно, произведение коэффициента усиления на ширину полосы пропускания, сокращенно GBP (Gain-Bandwidth Product). (Обратите внимание, что GBP применяется к операционным усилителям с обратной связью по напряжению, а не к операционным усилителям с обратной связью по току.)

Приведенная выше формула показывает как способ определения GBP, так и способ его использования. Чтобы найти GBP, умножьте коэффициент усиления без обратной связи на частоту среза без обратной связи (на практике вам не нужно рассчитывать GBP, потому что он дан вам в техническом описании операционного усилителя). Чтобы использовать GBP в процессе проектирования, вы подставляете необходимый коэффициент усиления или полосу пропускания, чтобы определить соответствующую максимальную полосу пропускания или коэффициент усиления, которые может выдать данный конкретный усилитель. (В реальном проекте вы всегда предполагаете некоторый запас, например, если вам нужен коэффициент усиления 10 на частотах от 0 Гц до 1 МГц, ищите операционный усилитель с GBP не менее 30 МГц, а лучше 50 МГц.)

И последнее замечание: приведенная выше формула подразумевает, что GBP равен частоте при единичном коэффициенте усиления операционного усилителя, поскольку подстановка в формулу 1 вместо G_ОС,НЧ дает в результате, что f_GBP = f_ср,ОС. Однако имейте в виду, что частота единичного усиления усилителя не всегда совпадает с частотой GBP: GBP определяется низкочастотным коэффициентом усиления без обратной связи и частотой среза без обратной связи, тогда как частота единичного усиления – это частота, при которой коэффициент усиления без обратной связи равен 1. Если усилитель имеет на АЧХ второй (не доминирующий) полюс, который увеличивает наклон спада до того, как коэффициент усиления без обратной связи достигнет 1, частота единичного усиления будет ниже, чем GBP.

Заключение

Теперь мы хорошо понимаем, что отрицательная обратная связь может улучшить две важные характеристики усилителя – ширину полосы пропускания и чувствительность к усилению без обратной связи – при этом она значит немного больше, чем просто цепь обратной связи и некоторый коэффициент усиления, который нам в любом случае не нужен. В следующей статье мы рассмотрим положительное влияние отрицательной обратной связи на некоторые другие менее заметные, но, тем не менее, важные свойства схем усилителей.

Источник