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

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

2 Обзор и анализ схем МКЦ

2.1 Программа оптимизации OPTIMAMP

Для анализа МКЦ была использована программа оптимизации  OPTIMAMP (в дальнейшем программа) написанная с помощью пакета математических и инженерных вычислений MATLAB 6.1. Данная программа предназначена для оптимизации и построения АЧХ электронных схем. Дадим краткое описание и приемы работы с программой.

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

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

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

Рисунок 2.1 – Основное тело программы.

Рисунок 2.2 – Вспомогательное тело программы.

Рисунок 2.2 – Информационное окно 1.

Рисунок 2.4 – Информационное окно 2.

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

2.2 Схема исследования

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

Рисунок 2.5 – Схема исследования МКЦ.

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

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

Рисунок 2.6 – Эквивалентная схема полевого транзистора.

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

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

Значения элементов Jg, Rg, Rн схемы исследования следующие:

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

Rg, Ом……………………………………………………………………….50

Rн, Ом……………………………………………………………………….50

2.3 Сравнительный анализ МКЦ

Сравнительный анализ был проведен исходя из следующих критериев:

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

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

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

Рисунок 2.7  –  Четырехполюсная реактивная КЦ третьего порядка.

Рисунок 2.8  –  Четырехполюсная диссипативная КЦ второго порядка.

Рисунок 2.9  –  Двухполюсная диссипативная КЦ первого порядка.

Рисунок 2.10  –  Двухполюсная диссипативная КЦ второго порядка.

Рисунок 2.11  –  Двухполюсная диссипативная КЦ третьего порядка.

Рисунок 2.12  –  Четырехполюсная диссипативная КЦ третьего порядка.

Рисунок 2.13  –  Двухполюсная диссипативная КЦ второго порядка.

Рисунок 2.14  –  Четырехполюсная реактивная КЦ третьего порядка.

Рисунок 2.15  –  Двухполюсная реактивная КЦ первого порядка.

Рисунок 2.16  –  Четырехполюсная диссипативная КЦ третьего порядка.

Рисунок 2.17  –  Четырехполюсная диссипативная КЦ третьего порядка.

Рисунок 2.18 –  Двухполюсная реактивная КЦ второго порядка.

Рисунок 2.19  –  Четырехполюсная диссипативная КЦ третьего порядка.

Рисунок 2.20  –  Четырехполюсная диссипативная КЦ второго порядка.

Рисунок 2.21  –  Четырехполюсная диссипативная КЦ второго порядка.

Результаты анализа представлены в таблице 2.2. Как видно из таблицы максимальный коэффициент усиления при заданной неравномерности АЧХ  ±0.5Дб имеют схемы 2.7, 2.14 и 2.16. На рисунках 2.23. и 2.24 приведены АЧХ эти усилителей на транзисторах 3П602А и КП907Б соответственно.

Таблица 2.2 – Сравнительный анализ схем усилителей с МКЦ.

––––– - 2.7,  ––––– -2.14, ––––– - 2.16.

Рисунок 2.23 – АЧХ усилителей на транзисторе 3П602А.

––––– - 2.7,  ––––– - 2.14, ––––– - 2.16.

Рисунок 2.24 – АЧХ усилителей  на транзисторе КП907Б.

Как видно из рисунков 2.23 и 2.24 максимальный коэффициент усиления имеет схема изображенная на рисунке 2.7. Однако при подробном рассмотрении этой схемы выявляются следующие особенности. Емкость Свых транзистора включается последовательно с С1. Так как при исследовании первый транзистор заменялся идеальным генератором напряжения, то влияние Свых учтено не было. Если учитывать это влияние, то коэффициент передачи данной корректирующей приблизиться к МКЦ рисунка 2.14. В МКЦ рисунка 2.14 емкость Свых включена параллельно С1. Поэтому её влияние может быть скомпенсировано уменьшением емкости C1 на величину Свых. К тому же методика расчета усилителя с МКЦ рисунка 2.7 приведена в работе [30].

Исходя из всего вышесказанного, было принято решение о разработке методики расчета усилителя с МКЦ на мощном полевом транзисторе схемы изображенной на рисунке 2.14.

3 Расчет МКЦ по результатам сравнительного анализа

3.1 Общие положения методики расчета МКЦ

Для разработки методики расчета СУМ с выбранной МКЦ воспользуемся методом параметрического синтеза, описанного в [44]. Метод заключается в следующем. Согласно [37,43,44], коэффициент передачи усилительного каскада с МКЦ, в символьном виде, может быть описан дробно-рациональной функцией комплексного переменного:

,                                   (3.1)

где      ;

 - нормированная частота;

- текущая круговая частота;

 - верхняя круговая частота полосы пропускания широкополосного усилителя мощности, либо центральная круговая частота полосового усилителя;

- коэффициент передачи каскада на средних частотах;

    – коэффициенты, являющиеся функциями параметров МКЦ и элементов аппроксимации входного импеданса транзистора усилительного каскада, нормированных относительно  и сопротивления источника сигнала .

Зная коэффициенты  всегда можно рассчитать нормированные значения элементов МКЦ  и составить таблицы нормированных значений элементов, соответствующих заданному наклону АЧХ.  В этом случае, проектирование усилительного каскада сводится к расчету истинных значений элементов МКЦ, соответствующих заданным   и .

Для расчета коэффициентов  в [44] предложено воспользоваться методом оптимального синтеза теории  фильтров [43].

В соответствии с указанным методом представим нормированное значение квадрата модуля передаточной характеристики (3.1) в виде:

,                              (3.2)

где .

Для расчета коэффициентов  составим систему линейных неравенств:

                          (3.3)

где - дискретное множество конечного числа точек в заданной нормированной области частот; - требуемая зависимость  на множестве ;  - допустимое уклонение  от ; - малая константа.

  Первое неравенство в (3.3) определяет величину допустимого уклонения АЧХ каскада от требуемой формы. Второе и третье неравенства определяют условия физической реализуемости рассчитываемой МКЦ. Учитывая, что полиномы числителя и знаменателя функции  положительны, модульные неравенства можно заменить простыми и записать задачу в следующем виде:

       (3.4)

  Неравенства (3.4) являются стандартной задачей линейного программирования. В отличие от теории фильтров, где данная задача решается при условии минимизации функции цели: , неравенства (3.4) следует решать при условии максимизации функции цели: , что соответствует достижению максимального коэффициента усиления рассчитываемого каскада. Решение неравенств (3.4) позволяет получить векторы коэффициентов, соответствующие заданным и .

По известным коэффициентам функции (3.2), коэффициенты функции (3.1) определяются с помощью следующего алгоритма [43]:

1.           В функции (3.2) осуществляется замена переменной , и вычисляются нули полиномов числителя и знаменателя.

2.           Каждый из полиномов числителя и знаменателя представляется в виде произведения двух полиномов, один из которых должен быть полиномом Гурвица.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8