Видеоусилитель с согласованными присоединительными импедансами

Доклады БГУИР

Doklady BGUIR

2017, № 4

УДК 621.375.029

ВИДЕОУСИЛИТЕЛЬ С СОГЛАСОВАННЫМИ ПРИСОЕДИНИТЕЛЬНЫМИ ИМПЕДАНСАМИ

И.Ю. МАЛЕВИЧ, ДА. СОЛОНОВИЧ

Научно-производственное общество с ограниченной ответственностью «ОКБ ТСП»,

Республика Беларусь

Поступила в редакцию 31 марта 2017

Аннотация. Представлены результаты логико-эвристического синтеза, разработки и лабораторных испытаний видеоусилителя с большим динамическим диапазоном для согласованных приемных трактов радиосистем.

Ключевые слова: видеоусилитель, согласованные присоединительные импедансы, динамический диапазон.

Abstract. The results of the logical-heuristic synthesis, development and laboratory tests of a video amplifier with a large dynamic range for the matched receiving paths of radio systems are presented.

Keywords: videoamplifier, matched connecting impedances, dynamic range.

Doklady BGUIR. 2017, Vol. 106, No. 4, pp. 27-31 Videoamplifier with matched connecting impedances I.Yu. Malevich, D.A. Solonovich

Введение

Видеоусилители с согласованными присоединительными импедансами представляют большой интерес как для техники физического эксперимента, так и для различных инженерных приложений, в числе которых приемные модули радиолокационных систем с непрерывным зондирующим сигналом [1-4]. В практике проектирования таких усилителей существует ряд нерешенных проблем, связанных, прежде всего, с обеспечением высокого стабильного коэффициента усиления и большого динамического диапазона (ДД), величина которого сопоставима с параметрами высокоскоростных аналого-цифровых преобразователей (АЦП) [5-7]. В связи с этим актуальной задачей является разработка технического решения малошумящего видеоусилителя с полосой рабочих частот от единиц килогерц до десятков мегагерц, коэффициентом усиления 35-40 дБ и порогом перегрузки по выходу не менее 15-20 дБм, присоединительные импедансы которого согласованы с 50-омным трактом.

Логико-эвристический синтез видеоусилителя с согласованными присоединительными импедансами

Проблема разработки видеоусилителя с согласованными с типовым трактом импедан-сами, высоким коэффициентом усиления и большим ДД на этапе решения задачи синтеза связана с выбором базовой структуры устройства, потенциально позволяющей реализовать большой коэффициент передачи и стабильность передаточной характеристики.

Традиционные технические решения, основанные на операционных усилителях, цепочечном включении транзисторных усилителей с местными цепями отрицательных обратных связей (ООС) и многокаскадных усилителях, охваченных общей ООС, имеют при заданных условиях известные недостатки [8-9].

Учитывая, что основные трудности при реализации согласованного видеоусилителя

возникают с обеспечением малого коэффициента шума и высокой стабильности передаточной характеристики, в качестве базовой идеи для синтеза предлагается использовать двухкас-кадный модуль с гальванической связью (рис. 1).

Рис. 1. Усилительный модуль с гальванической межкаскадной связью и диссипативными параллельно-последовательными обратными связями

Входной каскад выполнен на одиночном транзисторе УТ1 с местной последовательной обратной связью по току RE1, нагрузкой которого является каскад на УТ2 с местными параллельной RF2 и последовательной RE2 обратными связями. Общая параллельная по току обратная связь образована резисторами RF2 и RE2. Местные обратные связи, охватывающие УТ2, формируют в присоединительных сечениях второго каскада широкополосные согласованные импедансы (Явх2 ~ RН, Rвых2 ~ RН).

Гальваническая связь звеньев, глубокая общая параллельная и местные диссипативные отрицательные обратные связи обеспечивают в согласованном тракте (например, Rг = RН = 50 Ом) высокостабильный, температурно устойчивый коэффициент усиления структуры порядка 25.. .30 дБ в полосе частот до 0,1 /т УТ1, РТ2:

К:

Я..

ЯР 2 ЯН

2 -.

ЯЕ1

Входное сопротивление модуля стабилизирует общая обратная связь [10]:

а ЯГЯЕ1

ЯЕ1

выходное - местные [11]:

, ЯЕ 2 ЯЕ 2 ЯЕ 2 + ЯвыхКП

Использование в качестве первого компонента малошумящих транзисторов позволяет получить коэффициент шума 2,5 .5,5 дБ (т.е. ^ ~ + (1,5.3,5) дБ).

С целью доведения коэффициента передачи синтезируемого усилителя до значения 35.40 дБ при условии сохранения его широкополосности и стабильности характеристик рациональным решением представляется каскадное итерирование входной ступени базовой структуры (рис. 2). В результате коэффициент усиления схемы в области средних частот с учетом приближений Явх2 ~ ЯН, Явх3 ~ ЯН и согласования модуля с волновым сопротивлением тракта по входу и выходу с коэффициентом стояей волны по напряжению (КСВН) не хуже 2 (Явх1 = ЯГ, Явых3 = ЯН) определится выражением

К.

Яр 3ЯН

ЯЕ1ЯЕ 2

Рис. 2. Трехкаскадный усилительный модуль с гальванической межкаскадной связью и диссипативными

параллельно-последовательными обратными связями

В согласованном тракте выходной порог по сжатию должен составлять 1...1,5 В, тогда ток выходного транзистора УТ3 будет порядка 60.90 мА. В этих условиях использование в схеме коллекторного резистора Rк не является рациональным. Применение дросселя не позволит обеспечить малое значение нижней рабочей частоты. Поэтому в качестве нагрузочной цепи по постоянному току уместно применение простой динамической нагрузки на комплементарном транзисторе (рис. 3).

Рис. 3. Схема подключения двухполюсной динамической нагрузки на комплементарном транзисторе

В результате синтезированная принципиальная схема трехкаскадного видеоусилителя с согласованными присоединительными импедансами для систем с однополярным питанием и развязкой по постоянному току имеет вид, представленный на рис. 4.

Коэффициент шума устройства определяет тип входного транзистора и режим работы первой усилительной секции. Выходная ступень определяет нагрузочную способность модуля. Средняя секция формирует баланс порогов перегрузки в структуре. Для распределения каскадного усиления в структуре использованы местные обратные связи. Полоса рабочих частот в низкочастотной области формируется разделительными (Ср) и блокировочными (Сбл) конденсаторами, в области высоких частот - амплитудно-частотными параметрами (Р(/^, /), /т) используемых транзисторов и корректирующими конденсаторами (Скор).

Полученные результаты положены в основу разработки модели видеоусилителя, которая собрана на дискретных элементах из стандартной библиотеки среды моделирования электронных схем Micro-Cap 10. Схема модели показана на рис. 5.

Входной транзистор и первый транзистор структуры Дарлингтона выбраны типа BC847C, второй транзистор структуры Дарлингтона и транзистор в схеме динамической нагрузки представляют собой комплементарную пару BC54PAS и BC51PAS. В процессе параметри-ческой оптимизации передаточной характеристики модели были определены режимы работы транзисторов, параметры обратных связей и цепей коррекции. Результаты моделирования амплитудно-частотной характеристики оптимизированной схемы разработанного видеоусилителя показаны на рис. 6.

-о +Е

СР

—>

Рис. 4. Схема видеоусилителя с согласованными присоединительными импедансами

Результаты и их обсуждение

iT[ Risl C9 _[_

3 -L R3 i

JI 960 I

) С5 10и м Put

у Q3 II 10п С7 50 S Rout >

к

Rll>

33 f

R7 > R14 > R

47 T 18 T :

Рис. 5. Модель разработанного видеоусилителя в среде Micro-Cap 10

Рис. 6. Амплитудно-частотная характеристика модели оптимизированного видеоусилителя

Лабораторный макет видеоусилителя выполнен поверхностным монтажом на двухслойной плате из материала FR-4 (рис. 7). Входной и выходной сигнальные разъемы выбраны типа MMCX, разъем питания - M80-Harwin. Транзистор BC847C (fT = 100 МГц, NFT = 2 дБ) установлен в корпусе SOT-23, транзистор BC54PAS fT = 180 МГц) и транзистор BC51PAS fT = 145 МГц) выбраны в корпусе S0T-1061D. Остальные компоненты структуры имеют типоразмеры корпусов согласно стандартному ряду SMD элементов 0603 и стандартному ряду танталовых конденсаторов Case A и Case B.

Рис. 7. Лабораторный макет видеоусилителя

На рис. 8 приведена амплитудно-частотная характеристика разработанного макета видеоусилителя, измеренная анализатором цепей Agilent Technologies N9916A при уровне тестового сигнала -30 дБм (нижняя линия). Видно, что амплитудно-частотная характеристика обладает высокой диапазонной равномерностью. Макет устройства в 50-омном тракте с КСВН не хуже 1,8 в диапазоне частот 0,01...10 МГц имеет коэффициент усиления 38 дБ с неравномерностью менее 0,3 дБ, коэффициент шума не хуже 4,5 дБ, входную точку компрессии по сжатию на 1 дБ не ниже -22 дБм и ДД в пересчете к полосе 1 Гц 147,5 дБ. Ток потребления видеоусилителя от источника +12,0 В составляет 75 мА. Это позволяет реализовать линейный амплитудный отклик 2 В и обеспечить упрощенное согласование порогов напряжений при комплексировании разработанного устройства с АЦП.

Agilent Technologies: N9916A, SN: MY53102287 46% j |И| Tue, 16 Sep 2014 1:3 8:04 AM

RefO.OO dB S21 Ml: 50.000 MHz ¿38 dB

10, 30 20 10

dB/

*

-—-

-10 -20

-to

Start 30.00 kHz Points 801 IF BW 1Ü kHz Output Power -15,0 dBm Stop 100.0 MHz swp 1,49 S

Рис. 8. Амплитудно-частотная характеристика макета видеоусилителя

Заключение

Таким образом, в результате логико-эвристического синтеза разработано схемотехническое решение, проведены апробация математической модели и лабораторного макета видеоусилителя с согласованными присоединительными импедансами для приемных модулей радиолокационных систем с непрерывным зондирующим сигналом. Малый коэффициент шума, большой коэффициент усиления и динамический диапазон, высокая равномерность амплитудно-частотной характеристики и технологичность разработанного устройства позволяют позиционировать его как перспективное техническое решение для аналого-цифровых трактов обработки сигналов радиоэлектронных систем различного назначения.

Список литературы / References

1. Richards M.A., Scheer J.A., Holm W.A. Principles of modern radar. Vol. I: Basic Principles. Edison: SciTech Publishing, 2010. 962 p.

2. Daniels D.J. Ground Penetrating Radar. London: The Institution of Engineering and Technology, 2007. 726 p.

3. Pozar D.M. Microwave Engineering. New York: John Wiley & Sons, Inc., 2011. 752 p.

4. Voinigescu S. High-Frequency integrated circuits. Cambridge: Cambridge University Press, 2013. 902 p.

5. Products for Analog-to-Digital Converters (ADCs) [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.ti.com/lsds/ti/data-converters/adcs/adcs-products.page. - Дата доступа 30.03.2017.

6. High Speed ADC > 10MSPS [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.analog.com/en/products/analog-to-digital-converters/high-speed-ad-10msps.html. - Дата доступа 30.03.2017.

7. Analog-to-Digital Converters (ADC) [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.linear.com/parametric/Analog-to-Digital_Converters_(ADC). - Дата доступа 30.03.2017.

8. Franco S. Design with Operational Amplifiers and Analog Integrated Circuits. San Francisco: McGraw Hill Education, 2015. 672 p.

9. Zumbahlen H. Linear Circuit Design Handbook. Burlington: Newnes, 2008. 954 p.

10. Aprille T. Wide-band matched amplifier design using dual loop feedback and two common emitter transistor stages // IEEE Trans. on Circuits and Systems. 1976. Vol. 23. P. 434-442.

11. Greeneich E.W. Analog Integrated Circuits. New York: Springer, 1997. 341 p.

Сведения об авторах

Малевич И.Ю., д.т.н., профессор, начальник СКБ НПООО «ОКБ ТСП».

Солонович Д.А., ведущий инженер-конструктор СКБ НПООО «ОКБ ТСП».

Адрес для корреспонденции

220114, Республика Беларусь, г. Минск, пр-т Независимости, 115-307, НПООО «ОКБ ТСП» тел. +375-17-237-69-07; e-mail: malevich@okbtsp.com; Малевич Игорь Юрьевич

Information about the authors

Malevich I.Yu., D. Sci, professor, head of special design office of SPLLC «OKB TSP».

Solonovich D.A., leading design engineer of special design office of SPLLC «OKB TSP».

Address for correspondence

220114, Republic of Belarus, Minsk, Nezavisimosti Ave, 115-307, SPLLC «OKB TSP» tel. +375-17-237-69-07; e-mail: malevich@okbtsp.com; Malevich Igor Jur'evich