Описание работы

В работе исследуется широкополосный усилитель, функционирующий в диапазоне частот 0,01-100 МГц, спроектированный и разработанный в соответст­вии с требованиями, предъявляемыми к современным перспективным широко­полосным усилителям (ШПУ). Усилитель в рабочем диапазоне частот имеет сле­дующие технические показатели:

1) коэффициент усиления - 12±1 дБ;

2) коэффициент шума - не более 3,0 дБ;

3) входные и выходные сопротивления - в пределах 30-80 Ом;

4) сопротивления источника сигнала (генератора) и нагрузки - 75 Ом;

5) нелинейные искажения, оцениваемые динамическим диапазоном по ин­термодуляции третьего порядка, - 90-112 дБ (исследуется в последующей лабо­раторной работе);

6) напряжения питания при токе потребления 100 мА - 151±1 В.

Фотография лабораторного стенда приведена на рис. 1, принципиальная схема – на рис. 2 в. Особенностью уси­лителя является использование на входе и выходе трансформаторов типа «длин­ной линии» (ТДЛ), которые на высоких частотах диапазона функционируют как длинная линия (рис. 2 б), а на низких - как обычный трансформатор (рис. 2 а), вол­новое сопротивление (ρ) которых полностью определяет широкополосность уси­лителя.

Рис. 1 Фотография лабораторного стенда

для исследования ШПУ

а)

б)

в)

Рис. 2. Эквивалентная схема ТДЛ на низких частотах (а), на высоких – (б) и принципиальная электрическая схема исследуемого ШПУ на ТДЛ (в)

Широкополосный трансформатор ТДЛ представляет собой конструкцию из тороидального магнитопровода (ферритового кольца), на который наматываются обмотки их двух, трех и т.д. свитых между собой проводников, образующих симметричные длинные линии (ДЛ). При этом для достижения в ТДЛ максимальной широкополосности ДЛ согласуют с источником сигнала R_Г и нагрузки R_Н, то есть как со стороны входа, так и выхода усилителя. При простейшем включении в цепи сигнала и нагрузки двух, трех или n-проводных линий (см. рис. 2), обеспечивающем величину соотношения напряжений на входе и выходе трансформатора соответственно 1:2; 1:3; 1:n либо аналогично сопротивлений 1:4;

1:9; 1: п², условие согласования определяется соотношением

(1)

где ρ - волновое сопротивление, Ом; С - емкость ДЛ при XX на выходе; L - ин­дуктивность ДЛ при КЗ на выходе.

В частности, для двухпроводной ρ = R_Г / 3 = 2 R_Н, а для трехпроводной ρ = R_Г / 3 = 3 R_Н. Следовательно, при неизменных R_Г и R_Н предельно возможная широкополосность трансформатора полностью определяется постоянством вели­чины ρ между всеми проводниками ДЛ.

Широкополосность усилителя в целом определяется нижней и верхней гра­ничными частотами, на которых коэффициент усиления уменьшается на 3 дБ (1,7 раз). При этом нижняя граничная частота определяется максимальным значением магнитной проницаемости μ ≥ 4000 и наибольшим числом витков, однако, при этом длина ДЛ в сантиметрах

где - фазовая скорость распространения сигнала, приблизительно равная

≈ (1…1,6)·10¹⁰, см/с

f _MAX - максимальная частота сигнала, Гц.

Верхняя граничная частота усилителя определяется максимальной гранич­ной частотой биполярного транзистора (БПТ), а также минимальными геометри­ческими размерами ферритового кольца. При этом для уменьшения входного со­противления усилителя на низких частотах необходимо увеличить погонную ем­кость С, что достигается скручиванием проводников.

Кроме того, для уменьшения шумов и нелинейных искажений в схему ШПУ введена «бесшумная» отрицательная обратная связь (ООС) по току за счет дополнительной обмотки L _ДОП, шунтирование которой резистором малой вели­чины компенсирует ограничение широкополосности из-за введения ООС. Его ве­личина выбирается из соотношения

, (1)

где п= l₁ / l_доп, l ₁ - длина проводника ДЛ; l _доп - длина проводника дополнительной обмотки L _ДОП.

Таким образом, максимальная широкополосность при оптимальных других параметрах достигается применением БПТ с высокой граничной частотой усили­теля и ТДЛ с максимальными значениями μ, а также постоянством ρ во всем диапазоне частот.

Дата добавления: 2015-12-07