Параметрический синтез широкополосных усилительных каскадов с корректирующей цепью второго порядка

Практические исследования различных схемных решений усилительных каскадов с КЦ на полевых транзисторах показывают, что схема КЦ, представленная на рис. 3.1 [43, 45, 46], является одной из наиболее эффективных, с точки зрения достижимых характеристик, простоты настройки и конструктивной реализации.

Аппроксимируя входной и выходной импедансы транзисторов  и - и - цепями [8, 12, 47] найдем выражение для расчета коэффициента передачи последовательного соединения транзистора  и КЦ:

                    (3.6)

где ;

;

 – нормированная частота;

 – текущая круговая частота;

 – верхняя круговая частота полосы пропускания разрабатываемого усилителя;

 – крутизна транзистора ;

 – выходное сопротивление транзистора ;

 – нормированные относительно  и  значения элементов ;

 – выходная емкость транзистора ;

 – входная индуктивность и входная емкость транзистора .

В качестве прототипа передаточной характеристики каскада выберем функцию вида

,                                  (3.7)

квадрат модуля которой равен:

.                            (3.8)

Для выражения (3.8) составим систему линейных неравенств (3.5):

                           (3.9)

Решая (3.9) для различных , при условии максимизации функции цели: , найдем коэффициенты квадрата модуля функции-прототипа (3.8), соответствующие различным значениям допустимого уклонения АЧХ от требуемой формы. Вычисляя полиномы Гурвица знаменателя функции (3.8), определим требуемые коэффициенты функции-прототипа (3.7). Решая систему нелинейных уравнений

относительно  при различных значениях , найдем нормированные значения элементов КЦ, приведенной на рис. 3.1. Результаты вычислений для случая, когда  равна 0,25 дБ и 0,5 дБ, сведены в таблицу 3.1.

Таблица 3.1 – Нормированные значения элементов КЦ

	= ± 0,25 дБ			= ± 0,5 дБ
0,01 0,05 0,1 0,15 0,2 0,3 0.4 0,6 0,8 1 1,2 1,5 1,7 2 2,5 3 3,5 4,5 6 8	1,59 1,59 1,59 1,59 1,59 1,59 1,59 1,59 1,59 1,58 1,58 1,46 1,73 1,62 1,61 1,61 1,60 1,60 1,60 1,60	88,2 18,1 9,31 6,39 4,93 3,47 2,74 2,01 1,65 1,43 1,28 1,18 1,02 0,977 0,894 0,837 0,796 0,741 0,692 0,656	160,3 32,06 16,03 10,69 8,02 5,35 4,01 2,68 2,01 1,61 1,35 1,17 0,871 0,787 0,635 0,530 0,455 0,354 0,266 0,199	2,02 2,02 2,02 2,02 2,02 2,02 2,02 2,02 2,02 2,02 2,02 2,02 2,01 2,00 2,03 2,03 2,02 2,02 2,02 2,02	101 20,64 10,57 7,21 5,50 3,86 3,02 2,18 1,76 1,51 1,34 1,17 1,09 1,00 0,90 0,83 0,78 0,72 0,67 0,62	202,3 40,5 20,2 13,5 10,1 6,75 5,06 3,73 2,53 2,02 1,69 1,35 1,19 1,02 0,807 0,673 0,577 0,449 0,337 0,253

Рассматриваемая КЦ может быть использована также и в качестве входной КЦ [44]. В этом случае следует принимать: , где  – активная и емкостная составляющие сопротивления генератора.

При заданных  и  расчет КЦ сводится к нахождению нормированного значения , определению по таблице 3.1 соответствующих значений  и их денормированию.

Пример 3.1. Рассчитать КЦ однокаскадного транзисторного усилителя с использованием синтезированных данных таблицы 3.1, при условиях: используемый транзистор 3П602А; = 50 Ом; верхняя частота полосы пропускания усилителя равна 1,8 ГГц; допустимая неравномерность АЧХ равна ± 0,5 дБ. Принципиальная схема каскада приведена на рис. 3.4. Для термостабилизации тока покоя транзистора 3П602А, в схеме применена активная коллекторная термостабилизация на транзисторе КТ361А [48]. На выходе каскада включена выходная корректирующая цепь, практически не вносящая искажений в АЧХ каскада, состоящая из элементов 2,7 нГн, 0,64 пФ и обеспечивающая минимально возможное значение максимальной величины модуля коэффициента отражения ощущаемого сопротивления нагрузки внутреннего генератора транзистора (см. раздел 2.1).

Рис. 3.4                                                Рис. 3.5

Решение. Используя справочные данные транзистора 3П602А [49] и соотношения для расчета значений элементов однонаправленной модели полевого транзистора [1], получим: =2,82 пФ, =0,34 нГн. Нормированное относительно  и  значение  равно: 1,77. Ближайшая величина  в таблице 3.1 составляет 1,7. Для этого значения  и
+ 0,5 дБ из таблицы найдем: =2,01; =1,09; =1,19. После денормирования элементов КЦ получим: =3,2 пФ; =
4,3 нГн; =3,96 нГн; =60 Ом. Коэффициент усиления рассматриваемого усилителя равен [14]:  = 4,4.

На рис. 3.5 (кривая 1) приведена АЧХ рассчитанного усилителя, вычисленная с использованием полной эквивалентной схемы замещения транзистора [49]. Здесь же представлена экспериментальная характеристика усилителя (кривая 2), и АЧХ усилителя, оптимизированного с помощью программы оптимизации, реализованной в среде математического пакета для инженерных и научных расчетов MATLAB [50] (кривая 3). Кривые 1 и 3 практически совпадают, что говорит о высокой точности рассматриваемого метода параметрического синтеза. Оптимальность полученного решения подтверждает и наличие чебышевского альтернанса АЧХ [35].