Недостатки обычных широкополосных усилителей и переход на шпу с применением тдл.

Известно, что широкополосность всех ШПУ ограничивается влиянием входящих в усилитель реактивных элементов, (индуктивных и емкост-ных), включая внутренние емкости используемых транзисторов, тирис-торов, электронных ламп и т. д.

Как отмечалось, в ЭУполосой пропускания называется частотный ди-апазон, ограниченный нижней fн и верхней fв частотами, на которых коэффициент усиления уменьшается на 3 дБ (в 1,7 раз) относительно его номинального (среднего значения). Коэффициент широкополосности К_ш при этом определяется отношением указанных частот:

К_ш = fв/ fн

В этом диапазоне усилитель должен иметь требуемые параметры, которые часто противоречивы и очень зависимы от согласования усилителя с источником входного сигнала и нагрузкой, которые обычно подключаются к усилителю стандартным низкоомным кабелем с волновым сопротивлением 50 или 75 Ом.

При этом в ВЧ ЭУ используются контура в виде L-C или полосовых фильтров различной конструкции, именуемые ВЧ трансформаторами. Но они, к сожалению, обеспечивают узкую полосу рабочих частот (напри-мер, от 20 Гц до 18-20 кГц , т.е. К_ш ≤ 1000 ).

Поэтому сейчас наиболее перспективны ШПУ с ТДЛ из двух, трех и т.д. свитых между собой проводников, образующих длинные линии (ДЛ), и намотанных на ферритовое кольцо с большой магнитной проницаемостью (μ = 2000--10000), рис. 2.

Уникальность таких ТДЛ в том, что на низких частотах (менее 10 кГц) они хорошо работают как обычные трансформаторы, которые с повышением рабочей частоты резко ограничивают широкополосность из-за возрастания индуктивного сопротивления (Х_L = 2π f L). А вот на ВЧ (1-100 МГц и выше) ТДЛ становится т.н. «длинной линией», которая своим волновым сопротивлением ( ρ ) полностью определяет широкополосность усилителя.

А)

Б)

В)

Рис. 2. Конструкция (А) и эквивалентные схемы ТДЛ на НЧ (Б) и ВЧ (В)

При этом для достижения в ТДЛ максимального К_ш ДЛ согласу-ют с источником сигнала R_Г и нагрузки R_Н, то есть как со стороны входа, так и выхода усилителя. При включении в эти цепи двух, трех или n-проводных линий, обеспечивающих соотношения :

U_ВХ / U_ВЫХ = 1/2; 1/3; 1/n или соответственно R_ВХ / R_ВЫХ = 1/4; 1/9; 1/п²

условие согласования определяется соотношением

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

В частности, для двухпроводной ДЛ волновое сопротивление равно:

ρ = R_Г / 2 = =2R_Н,

а для трехпроводной это же волновое сопротивление будет равно:

ρ = R_Г / 3 = 3R_Н.

Следовательно, при неизменных R_Г и R_Н предельно возможная широкополосность ТДЛ полностью определяется постоянством ве-личины ρ между всеми проводниками ДЛ.

Такие особенности ТДЛ обусловлены тем, что на высоких часто-тах передача энергии от источника в нагрузку трансформатора осуществляется фактически не за счет перемагничивания сердеч-ника магнитным потоком, как это было на НЧ. Здесь электромаг-нитная энергия распространяется по связанным между собой ли-ниям передачи. А эту связь обусловливает ферритовый сердечник трансформатора, который на ВЧ в результате падения магнитной проницаемости становится «поглотителем паразитных полей рас-сеяния», наводящихся вокруг линии [1], а индуктивное сопротив-ление уже не играет здесь большой роли.

Ниже на рис. 3 приведена электрическая принципиальная схема ШПУ с ТДЛ с К_ш ≈ 10000, защищенная авторским свидетельством на изобретение [2], работающего в диапазоне О,01 -100 МГц с 2-х-проводным ТДЛ на выходе и 3-х-проводным - на входе.

Рис. 3. Схема электрическая принципиальная ШПУ с К_Ш ≈ 10000.

Нижняя граничная частота ШПУ определяется максимальной μ ≥ 4000 и наибольшим числом витков, однако, при этом длина ДЛ в сантиметрах не должна превышать:

где - фазовая скорость распространения сигнала, приблизи-тельно равная:

≈ (1…1,6)·10¹⁰ , см/с;

f_max - максимальная частота сигнала, Гц.

Верхняя граничная частота ШПУ 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 увеличивать 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 2,7 Ом компенсирует ограничение широкополосности из-за введения ООС. Его ве­личина выбирается из соотношения (1):

, (1)

где п= ℓ / ℓ_доп, ℓ - длина проводника ДЛ; - ℓ_доп - длина проводника дополнительной обмотки ℓ_доп.

Таким образом, максимальная широкополосность ШПУ 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.

Подобные ШПУ очень перспективны для различных примене-ний в технике связи, например, в качестве ШАУ (широкополосных антенных усилителей), резонансных усилителей преселектора магистральных радиоприемных устройств, а также в приборострое-нии и измерительной технике [3].

3.