Расчет резонансного усилителя с быстрым установлением выходного напряжения

Резонансный усилитель с быстрым установлением выходного напряжения относится к области радиолокации, системам многоканальной связи. Он предназначен для усиления и выделения полезной информации, которая передается с помощью последовательностей прямо-угольных радиоимпульсов или фазоманипулированных колебаний.

Известен резонансный усилитель, содержащий биполярный транзистор типа n-p-n, собранный по схеме с общим эмиттером, нагрузкой электронного прибора служит фильтр, представляющий параллельный колебательный L-C контур, настроенный на частоту несущей гармоники .

К недостаткам этого устройства относятся:

1. При воздействии прямоугольных радиоимпульсов огибающая на выходе запаздывает относительно огибающей входного сигнала.

2. При фазоманипулированном колебании скачок фазы входного сигнала приводит к изменению амплитуды выходного сигнала, т. е. возникновению паразитной амплитудной модуляции.

Таким образом, целью предлагаемой работы является повышение быстродействия колебательного контура и тем самым приближение выходного сигнала к масштабной копии входного сигнала.

Отличительными признаками предлагаемого резонансного усилителя являются: выполнение колебательного контура из индуктивной катушки, соединенной последовательно с параллельно включенным конденсатором, резонансной цепочкой, выполненной из последовательно соединенных индуктивной катушки и конденсатора, резистивной нагрузки. Реактивные элементы образуют колебательный контур, настроенный на частоту несущей гармоники, которая выделяется на резистивной нагрузке. Резонансная цепочка, настроенная на частоту кратную двум несущей частоте шунтирует на этой частоте резистивную нагрузку. Параметры элементов колебательного контура обеспечивают установление выходного сигнала за половину периода несущей частоты, тем самым обеспечивается приближение выходного сигнала к масштабной копии входного сигнала.

На рис. 1 представлена электрическая схема резонансного усилителя, а на рис. 2- временные диаграммы фазоманипулированного входного и выходного сигналов:

контура с нормированной частотой

установления выход-ного сигнала не превышает половины периода несущей частоты входного сигнала.

Резонансный усилитель с быстрым установлением выходного напряжения содержит транзистор, колебательный контур, источник постоянного напряжения , источник напряжения смещения и источник усиливаемого сигнала

Резонансный усилитель работает следующим образом. Появившийся на входе усилителя сигнал в виде радиоимпульса u_сигн(t) проходит через транзистор, где он усиливается до напряжения u_вх(t) и подается на вход колебательного контура.

Работу колебательного контура поясним на основе следующих выкладок.

Для получения схемного решения, позволяющего плавно на интервале времени ½ Т₀ выделить несущую гармонику, применим синтез реактивных электрических цепей во временной области

Рассмотрим интегратор, осуществляющий преобразование входного сигнала u_вх(t) в выходной сигнал u_вых(t) по следующему закону

(1)

Определенный интеграл, входящий в уравнение, равен очевидно, разности двух значений первообразной сигнала одно из которых вычисляется при аргументе t, а другое – при аргументе t-T₀. Используя соотношения для спектральной плотности сигнала, смещенного во времени u(t-T₀)↔U(ω)eи учитывая , что спектр первообразной

U( (2)

получаем формулу связи между спектральными плотностями сигналов на входе и выходе

. (3)

Функция передачи по напряжению рассматриваемого интегрирующего устройства

Н(j = (1 - ) (4)

Чтобы получить интегрирующее устройство с функцией передачи (4) воспользуемся хорошо разработанным методом синтеза линейных электрических цепей во временной области.

При нормированной амплитуде входного сигнала U_вхm=I и приняв Т₀=π, jω=s получим
Н(s) = * = = (5)

При s=jω

Н(j= (6)

Нулями функции передачи (6) являются нули синуса, лежащие на оси ω

(ω_jπ/2)=±jπ, ω_j=±2k (k=0,1,2,…).

Напишем числитель аппроксимирующей дроби

М(s) = (7)

Нулями вещественной и мнимой частей знаменателя являются нули косинуса и синуса

ω_k=(2k+1), ω_k=±2k (k=0,1,2,…).

Запишем четную и нечетную части знаменателя дроби (6)

= (8)

Учтя конечное число гиперболических функций получаем функцию передачи интег-рирующего устройства n-го порядка

G(s) = . (9)

Коэффициенты A₁ и A₂ найдем из условия приравнивания H(s) и G(s) при s=0, s=j:

S = 0, Н(0) G(0) = .

Отсюда

(10)

S = j; Н(j) = ; G(j) = ; . (11)

При n=1, получим цепь четвертого порядка

G(s) = . (12)

Функцию передачи реализуем в виде реактивного четырехполюсника по двум элементам матрицы проводимостей Y₂₁ и Y₂₂. Из условия обеспечения нечетности параметра Y₂₁, получаем

= ;.

Проводимость передачи – Y₂₁ имеет нуль при s=_. Проводимость Y₂₂ имеет избыточ-ные полюса s=j2.

Реализацию начинаем с выделения из Y₂₂ избыточного полюса, соответствующего проводимости

,

Эта проводимость реализуется ветвью из последовательной резонансной цепочки с индуктивностью 5 L₃=0,94 и емкостью 6 С₄=0,26, соединяемой параллельно резистору 7 R_H=1.

Остающаяся проводимость

= = + ,

реализуется индуктивностью 3 L₁=1,57 и емкостью 4 С₅=0,28. Полученная схема показана на фиг.1.

Фиг. 1

Фиг. 2

Пересчет параметров на заданное выходное сопротивление R_н≠1 и несущую частоту (денормировка) производится по соотношениям:

Рассмотренная схема резистивного усилителя относится к области радиолокации и сис-темам многоканальной связи. Известные резонансные усилители рассчитываются в частотной области и обладают одним существенным недостатком – не учитываются временные харак-теристики, так например огибающая сигнала на выходе резонансного усилителя, воз-буж-даемого фазоманипулированным сигналов (φ₀=180°), вначале плавно уменьшается до нуля, затем вновь возрастает до первоначального уровня за интервал нескольких постоянных времени контура. Рассматриваемая модель позволяет значительно сократить время установления выходного сигнала.

Литература:

1. Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы.- М : Высшая школа, 2005.
2. Матханов П.Н. Основы синтеза линейных электрических цепей. – М.: Высшая школа, 1980.