В статье представлены и описаны основные схемы усилителей, в которых применяются трансформаторные обратные связь без потерь, для повышения линейности усилителя.
Ключевые слова: динамический диапазон, отрицательная обратная связь, трансформатор, автотрансформатор, коэффициент усиления.
Важной характеристикой усилителя является динамический диапазон (ДД), который определяется порогом чувствительности, определяемый собственными шумами, а также линейностью.
Значительно расширить ДД устройств широкополосного усиления возможно за счет увеличения мощности силовых СВЧ-транзисторов и трансформаторными схемами усилителей с обратной связи.
Существует следующий метод повышения линейности усилителя — это применение линейной обратной отрицательной связи (ЛООС). Специальные схемы ЛООС чаще всего называемые «бесшумной” ЛООС представлены на рисунке 1. Такой тип обратной связи иногда называют обратной связью без потерь, которая была разработана Нортоном [1].
а) б)
Рис. 1. Схемы усилителей с «бесшумной» ЛООС:
а) Усилитель с трансформаторной обратной связью;
б) Усилитель с автотрансформаторной обратной связью.
Введением в цепь ООС позволяет получить вещественное устойчивое и высококачественное усиление. Могут быть значительно уменьшены такие параметры как, частотные и фазовые искажения, фон, нелинейные искажения и др.
Введением в трансформатор ООС достигается противофазность токов в первичной и вторичной обмотке. В результате чего происходит линейное перемещение электрической энергии из первичной обмотки во вторичную, при этом потери в трансформаторе минимальные [2].
Усилитель странсформаторной обратной связью
На рисунке 1 (а) была представлена схема усилителя с трансформаторной обратной связью (УТОС).
Схема, предложенная Нортоном, содержит только два компонента — транзистор и трансформатор, соединенные таким образом, чтобы обеспечить согласование на входе и на выходе при помощи трансформаторной отрицательной обратной связи. В прямом направлении схема дает коэффициент усиления по мощности:
|
|
(1) |
,
где Ki — коэффициент передачи по току;
Кt — коэффициент трансформации.
При обратном направлении — уменьшается:
|
|
() |
Усилитель собратной связью автотрансформатора
Схема усилителя, показанная на рисунке 1(б), получается из схемы, показанной на рисунке 1(а), путем повторного подключения заземленной клеммы вторичной обмотки к входу усилителя. В этом случае первичные и вторичные обмотки соединены. Несмотря на такие небольшие изменения, некоторые свойства усилителя резко меняются.
Эта замена необходима, поскольку она учитывает (n+1)/n–кратный ток на входе усилителя, сохраняет мощность источника сигнала неизменной и не влияет на какие-либо параметры усилителя. Однако формальная идентичность схем вещественна только на промежуточных частотах. В действительности выходная обмотка трансформатора обратной связи в цепи Нортона подключается параллельно нагрузке. Поэтому индуктивность намагниченности и потери в феррите и собственная емкость учитываются адмиттансом (комплексная проводимость). В схеме, показанной на рисунке 1 (б), те же самые импедансы соединены параллельно с эмиттерно-коллекторным соединением. Их влияние учитывается допуском и, уменьшается на (1–α) раз. Это приводит к резкому увеличению пропускной способности схемы.
Следовательно, обратная связь автотрансформатора по сравнению с обратной связью трансформатора дополнительно уменьшает влияние потерь и нелинейных искажений в магнитном сердечнике в (1-КI).
Таким образом, неоспоримыми преимуществами схемы Нортона являются его предельная простота, двунаправленное согласование, чрезвычайно низкий уровень шума, широкий полосовой диапазон и высокая линейность.
Основными его недостатками являются относительно низкий коэффициент усиления, трудности реализации трансформатора при увеличении fmax и Кт>>1, а также невозможность компенсации потерь и нелинейных искажений в ферритовом сердечнике. Эти недостатки стимулируют поиск других схем с обратной связью без потерь и их исследованием [1], [3].
Уникальное сочетание полезных свойств и простоты этих схем свидетельствует о том, что их разработка и широкое применение будут столь же полезны, как и в свое время появление широкополосных трансформаторов с распределенными параметрами. Естественно, это мешает пониманию специфических особенностей их работы, определению их возможностей и оптимизации схем, а также синтезу новых схем. Их широкое применение ограничено возможной нестабильностью широкополосных усилителей с большим количеством отрицательных обратных связей [4].
Литература:
- Abranin E. P., Bruck YU. M. Highly linear broadband amplifiers with lossless feedback Part 1 // INT. J. ELECTRONICS. Сер. 68. — 1990. — № 5. С. 743–756.
- Косточкин М. Л., Аржаков В. А. Анализ методов повышения линейности усилителей // Омский научный вестник. Сер. 100. — 2011. — № 2. С. 205–209.
- Abranin E. P., Bruck YU. M. Highly linear broadband amplifiers with lossless feedback Part 2 // INT. J. ELECTRONICS. Сер. 69. — 1990. — № 3. С. 345–357.
- Цыкин Г. С. Отрицательная обратная связь и ее применение: учебник для вузов — М.: Радио и связь, 1970. — 138 с.
