РЕЗОНАНСНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ С БЫСТРЫМ УСТАНОВЛЕНИЕМ ВЫХОДНОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Предлагаемая полезная модель относится к области радиолокации, системам многоканальной связи. Она предназначена для усиления и выделения полезной информации, которая передается с помощью последовательностей прямоугольных радиоимпульсов или фазоманипулированных колебаний.
Известен резонансный усилитель, колебательный контур которого образован внутренней индуктивностью основного транзистора и конденсатором, база дополнительного транзистора соединена с источником входного сигнала и через резистор - с эмиттером основного транзистора (см. RU №307736, H03F 1/04, 27.06.2000).
Недостатком этого устройства является то, что колебательный контур, входящий в состав усилителя является инерционной цепью и это снижает скорость изменения во времени огибающей выходного колебания.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели является выбранный в качестве прототипа одноконтурный резонансный усилитель, содержащий биполярный транзистор типа n-p-n, включенный на схеме с общим эмиттером. Нагрузкой электронного прибора служит фильтр, представляющий параллельный колебательный контур, настроенный на частоту несущей гармоники (см. Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы - М.: Высшая школа, 2005, с.236-237.).
К недостаткам известного 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. к возникновению паразитной амплитудной модуляции.
Таким образом, техническим результатом предлагаемой полезной модели является повышение быстродействия колебательного контура и тем самым приближение выходного сигнала к масштабной копии входного сигнала.
Указанный технический результат достигается тем, что в резонансном усилителе с быстрым установлением выходного напряжения, содержащем транзистор с общим эмиттером, источник постоянного напряжения в цепи коллектор-эмиттер, источник смещения, источник усиливаемого сигнала, колебательный контур, первый конец которого соединен с коллектором транзистора, согласно полезной модели, колебательный контур состоит из первой индуктивной катушки, соединенной последовательно с параллельно включенными первым конденсатором, резонансной цепочкой, выполненной из второй индуктивной катушки и второго конденсатора, и резистивной нагрузкой, при этом конец параллельно соединенных первого конденсатора, резонансной цепочки и резистивной нагрузки образует второй конец колебательного контура, который через источник постоянного напряжения в цепи коллектор-эмиттер соединен с эмиттером транзистора, образуя общий узел с источником напряжения смещения, последовательно соединенного с источником усиливаемого сигнала и базой транзистора.
Отличительными признаками заявляемого устройства являются: выполнение колебательного контура (КК) из первой индуктивной катушки, соединенной последовательно с параллельно включенными первым конденсатором, резонансной цепочкой, выполненной из второй индуктивной катушки и второго конденсатора, и резистивной нагрузкой. Реактивные элементы КК настроены в резонанс на частоту несущей гармоники, которая выделяется на резистивной нагрузке. Резонансная цепочка с частотой кратной двум несущей гармоники шунтирует на этой частоте резистивную нагрузку. Параметры элементов КК обеспечивают установление выходного сигнала за половину периода несущей частоты, тем самым обеспечивается приближение выходного сигнала к масштабной копии входного сигнала.
На фиг.1 представлена электрическая схема резонансного усилителя, а на фиг.2 - временные диаграммы фазоманипулированного входного и выходного сигналов;
вх
где u(t) - напряжение на входе колебательного контура с нормированной частотой ω=1
вых
u(t) - напряжение на выходе резонансного усилителя, время установления выходного сигнала не превышает ½ периода входного сигнала.
1
5
3
4
н
БО
ко
Б0
сигн
Резонансный усилитель с быстрым установлением выходного напряжения додержит транзистор 1, коллектор 2, которого соединен с первым концом колебательного контура. Колебательный контур состоит из первой индуктивной катушки 3 (L), соединенной последовательно с параллельно соединенными первым конденсатором 4 (C), резонансной цепочкой, выполненной из второй индуктивной катушки 5 (L) и второго конденсатора 6 (C), и резистивной нагрузкой 7 (R). Конец параллельно соединенных первого конденсатора 4, резонансной цепочки и резистивной нагрузки 7 образует второй конец колебательного контура, который соединен с клеммой «+» 8 источника постоянного напряжения U. Клемма «-» 9 U источника постоянного напряжения, эмиттер 10 транзистора 1 и клемма «-» 11 источника напряжения смещения U объединены в общий узел. Клемма «+» 12 источника напряжения смещения последовательно соединена с клеммой 13 источника усиливаемого сигнала Ù, клемма 14 которого соединена с базой 15 транзистора.
сигн
вх
Резонансный усилитель работает следующим образом. Появившийся на входе усилителя сигнал в виде радиоимпульса Ù проходит через транзистор 1, где он усиливается до напряжения Ù.
вх
1
5
3
4
3
4
н
вых
Напряжение Ù подается на вход колебательного контура, продольная и поперечная ветви которого, выполненные из реактивных элементов L и C, L-C образуют резонансный контур, настроенный на несущую частоту радиоимпульса, что позволяет выделить полезный сигнал. Ветвь, образованная из элементов L и C к которой присоединена нагрузка R, выполняет роль корректирующей цепочки. Выходное напряжение на нагрузке Ù отличается малым временем установления.
Работу резонансного усилителя поясним на основе следующих выкладок.
0
Для получения схемного решения, позволяющего плавно на интервале времени T выделить несущую гармонику, применим синтез реактивных электрических цепей во временной области.
вх
вых
Рассмотрим интегратор, осуществляющий преобразование входного сигнала u(t) в выходной сигнал u(t) по следующему закону
0
Определенный интеграл, входящий в уравнение, равен очевидно, разности двух значений первообразной сигнала, одно из которых вычисляется при аргументе t, а другое - при аргументе t-T. Используя соотношения для спектральной плотности сигнала, смещенного во времени  и учитывая что спектр первообразной
получаем формулу связи между спектральными плоскостями сигналов на входе и выходе
Функция передачи по напряжению рассматриваемого интегрирующего устройства
Чтобы получить интегрирующее устройство с функцией передачи (4) воспользуемся хорошо разработанным методом синтеза линейных электрических цепей во временной области.
вхm
0
При нормированной амплитуде входного сигнала U=I и приняв T=π, jω=s получим
При s=jω
Нулями функции передачи (6) являются нули синуса, лежащие на оси ω
j
j
(ωπ/2)=±jπ, ω=±2k(k=0, 1, 2,…).
Напишем числитель аппроксимирующей дроби
Нулями вещественной и мнимой частей знаменателя являются нули косинуса и синуса
k
k
ω=(2k+1), ω=±2k(k=0, 1, 2,…).
Запишем четную и нечетную части знаменателя дроби (6)
Учтя конечное число гиперболических функций получаем функцию передачи интегрирующего устройства n-го порядка
1
2
Коэффициенты A и A найдем из условия приравнивания H(s) и G(s) при s=0, s=j:
Отсюда
При n=1, получим цепь четвертого порядка
21
22
21
Функцию передачи реализуем в виде реактивного четырехполюсника по двум элементам матрицы проводимостей Y и Y. Из условия обеспечения нечетности параметра Y, получаем
;
21
22
Проводимость передачи - Y имеет нуль при s=∝. Проводимость Y имеет избыточные полюса s=±j2.
22
Реализацию начинаем с выделения из Y избыточного полюса, соответствующего проводимости
,
H
Эта проводимость реализуется ветвью из последовательной резонансной цепочки с индуктивностью 5 L=0,94 и емкостью 6 С=0,26, соединяемой параллельно резистору 7 R=1.
Остающаяся проводимость
,
реализуется индуктивностью 3 L=1,57 и емкостью 4 C=0,28. Полученная схема показана на фиг.1.
н
0
Пересчет параметров на заданное выходное сопротивление R≠1 и несущую частоту w (денормировка) производится по соотношениям