Устройства управления амплитудой мощных сигналов


А. А. Титов






Устройства управления амплитудой мощных сигналов










Москва СОЛОН-ПРЕСС 2020

      УДК 621.396 Т 45



            Титов А. А.


      Устройства управления амплитудой мощных сигналов — М.: СОЛОН-ПРЕСС, 2020. — 136 с.: ил.
      Устройства управления амплитудой электрических сигналов используются во многих радиотехнических системах, например, в радиолокации, в радиосвязи, в передатчиках теле- и радиовещания. Чаще они являются частью схем автоматической регулировки усиления. Известные устройства управления не позволяют осуществлять управление мощными сигналами. Поэтому их устанавливают в маломощных цепях рассматриваемых систем, что приводит к усложнению этих систем и большой величине времени задержки сигнала управления. Указанные обстоятельства являются причиной малой надежности радиотехнических систем при их работе в нештатных ситуациях. Использование рассматриваемых в книге схемных решений построения устройств управления амплитудой мощных сигналов и методик проектирования указанных устройств позволяет значительно упростить функциональные схемы радиотехнических систем различного назначения, повысить их технические характеристики, надежность и срок эксплуатации.
      Книга может быть полезна разработчикам устройств и систем различного назначения, том числе устройств генерирования гармонических и импульсных сигналов, систем сверхширокополосной радиолокации, полосовых усилителей систем связи и теле-и радиовещания, возбудителей импульсных СВЧ-генераторов.
      Книга написана по результатам исследований, проводимых по государственному контракту в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы.
      Для разработчиков радиоаппаратуры, радиолюбителей, а также студентов и аспирантов.


        Ответственный за выпуск: В. Митин
Обложка: СОЛОН-ПРЕСС

ОО «СОЛОН-ПРЕСС»
123001, г. Москва, а/я 82
      Телефоны :(499) 254-44-10, (499) 252-36-96,
(499) 795-73-26
     E-mail: avtor@coba.ru, www.solon-press.ru

По вопросам приобретения обращаться: ООО «АЛЬЯНС-БУКС»
           Тел: (499) 725-54-09, 725-50-27,
www.alians-kniga.ru

ISBN 978-5-91359-124-1


По вопросам подписки на журнал «Ремонт & Сервис» обращаться:
ООО «СОЛОН-ПРЕСС»
тел.: (499) 795-73-26, e-mail: rem_serv@coba.ru
www.remserv.ru

ООО «СОЛОН-ПРЕСС»
103050, г. Москва, Дегтярный пер., д. 5, стр. 2 Формат 60^88/16. Объем 8,5 п. л. Тираж 200 экз.

Заказ №


© Титов А. А., 2020
© Обложка, СОЛОН-ПРЕСС, 2020

                Оглавление





Предисловие.......................................................6
Основные сокращения и условные обозначения........................7
Глава 1 Известные устройства управления амплитудой гармонических и импульсных сигналов................................9
   1.1. Устройства ограничения.....................................9
   1.2. Устройства регулирования..................................12
   1.3. Устройства модуляции......................................13
Глава 2 Эффект двухстороннего ограничения мощных сигналов биполярным транзистором с закрытыми переходами....................16
   2.1. Эффект ограничения в схеме устройства управления с параллельным включением транзистора и нагрузки.................17
   2.2. Эффект ограничения в схеме устройства управления с последовательным включением транзистора и нагрузки.............22
   2.3. Физическое объяснение эффекта двухстороннего ограничения мощных сигналов биполярным транзистором с закрытыми
переходами...................................................24
Глава 3. Устройства управления амплитудой мощных гармонических сигналов............................................27
   3.1. Устройство управления с параллельным включением транзистора и нагрузки и подачей напряжения управления на базу.27
   3.2. Устройство управления с последовательным включением транзистора и нагрузки и подачей напряжения управления на базу.30
   3.3. Модулятор амплитуды с последовательно-параллельным включением транзисторов в тракт передачи.......................31
   3.4. Модулятор амплитуды с согласованным входом................34
   3.5. Устройство управления с параллельным включением транзистора и нагрузки и подачей напряжения управления на
коллектор....................................................36
   3.6. Устройство управления с последовательным включением транзистора и нагрузки и подачей напряжения управления на
   эмиттер........................................................43
Глава 4. Устройства управления амплитудой мощных импульсных сигналов...............................................46
   4.1. Устройство управления с параллельным включением ограничивающего транзистора и нагрузки.........................46
   4.2. Устройство управления с параллельным включением ограничивающего транзистора и нагрузки и повышенным выходным напряжением...........................................49
   4.3. Устройство управления с последовательным включением ограничивающего транзистора и нагрузки.........................51
   4.4. Устройство управления со стабилизацией уровня насыщения ограничивающего транзистора....................................54

3

Глава 5 Нелинейная модель биполярного транзистора с закрытыми переходами..............................................58
   5.1. Анализ возможности использования нелинейной модели Гуммеля-Пуна для расчета устройств управления, использующих
   эффект двухстороннего ограничения..............................58
   5.2. Двухтранзисторная нелинейная модель биполярного транзистора....................................................59
   5.3. Анализ устройства управления с параллельным включением транзистора и нагрузки и подачей напряжения управления на базу.62
   5.4. Анализ устройства управления с последовательным включением транзистора и нагрузки и подачей напряжения управления на базу.............................................64
   5.5. Анализ устройства управления с параллельным включением транзистора и нагрузки и подачей напряжения управления на коллектор....................................................66
   5.6. Анализ устройства управления с параллельным включением транзистора и нагрузки и заземленным эмиттером...............68
   5.7. Анализ устройства управления с последовательным включением транзистора и нагрузки и подачей напряжения управления на эмиттер..........................................69
   5.8. Анализ устройства управления с параллельным включением транзистора и нагрузки и заземленным коллектором.............71
Глава 6 Использование однотранзисторной и двухтранзисторной моделей для расчета устройств управления амплитудой мощных импульсных сигналов...............................................73
   6.1. Анализ устройств управления амплитудой мощных радиоимпульсов...............................................73
   6.2. Анализ устройств управления амплитудой мощных видеоимпульсов...............................................77
Глава 7 Проектирование устройств управления амплитудой мощных гармонических и импульсных сигналов........................80
   7.1. Методика проектирования устройств управления амплитудой мощных гармонических сигналов................................80
   7.2. Методика проектирования согласованного устройства управления амплитудой мощных гармонических сигналов..........86
   7.3. Методика проектирования устройств управления амплитудой мощных импульсных сигналов...................................90
Глава 8 Описание экспериментальных макетов устройств управления амплитудой мощных гармонических и импульсных сигналов..........................................................98
   8.1. Разработка и изготовление устройства управления амплитудой мощных гармонических сигналов ОВЧ диапазона....................98
   8.2. Разработка и изготовление устройств управления амплитудой мощных гармонических сигналов УВЧ диапазона...................103

4

   8.3. Разработка и изготовление устройств управления амплитудой мощных гармонических сигналов СВЧ диапазона..................110
   8.4. Пример использования устройства управления при построении полосового усилителя мощности с защитой от перегрузок........115
   8.5. Разработка и изготовление устройства ограничения амплитуды мощных импульсных сигналов...................................121
   8.6. Разработка и изготовление устройства регулирования амплитуды мощных импульсных сигналов.........................124
   8.7. Разработка и изготовление устройства модуляции амплитуды мощных импульсных сигналов...................................130
Список использованных источников................................133

5

                Предисловие




     Устройства управления амплитудой электрических сигналов используются во многих радиотехнических системах, например, в радиолокации, в радиосвязи, в передатчиках теле- и радиовещания. Недостатком известных схемных решений построения таких устройств является их малая выходная мощность. Существующие полупроводниковые и варисторные ограничители напряжения не позволяют плавно изменять напряжение ограничения, и не предназначены для осуществления ограничения гармонических сигналов. Устройства регулирования амплитуды гармонических и импульсных сигналов рассчитаны на уровни мощности входных сигналов не превышающие 0,5... 1 Вт. Устройства модуляции амплитуды гармонических и импульсных сигналов, хотя и позволяют получить на своем выходе мощные сигналы, работают с входными сигналами менее 1 Вт. Выходная мощность модуляторов обеспечивается благодаря использованию в своём составе усилителей мощности.
     Этот недостаток может быть устранен благодаря использованию способности биполярных транзисторов с закрытыми переходами к осуществлению двухстороннего ограничения мощных гармонических и импульсных сигналов. Несмотря на многолетнюю практику использования биполярных транзисторов в радиоэлектронике, эффект двухстороннего ограничения мощных сигналов биполярным транзистором с закрытыми переходами до последнего времени не был известен и по этой причине оказался неисследованным. Использование указанного эффекта является перспективным для построения устройств управления, то есть устройств ограничения, регулирования и модуляции амплитуды гармонических сигналов мощностью в десятки ватт и импульсных сигналов с мгновенной мощностью в единицы киловатт.
     Разработка перечисленных устройств на основе эффекта двухстороннего ограничения позволяет значительно упростить функциональные схемы радиотехнических систем различного назначения, повысить их надежность и срок эксплуатации.
     Выпускаемые в настоящее время в мире мощные передатчики систем радиосвязи, систем УКВ ЧМ и ТВ вещания выходят из строя при рассогласовании по выходу в режиме максимальной выходной мощности. Это связано с применяемой структурой построения мощных передатчиков, когда блок управления, осуществляющий регулировку уровня сигнала подаваемого на вход усилителя мощности передатчика, находится в его маломощных цепях. Возможность управления мощными сигналами позволяет изменить структуру построения мощных передатчиков и осуществить их защиту при работе в режиме максимальной выходной мощности в условиях рассогласования по выходу.

6

                Основные сокращения и условные обозначения





НО - направленный ответвитель.
ОВЧ-диапазон - диапазон очень высоких частот (30.300 МГц).
УУ - устройства управления.
СВЧ-диапазон - диапазон сверх высоких частот (3.30 ГГц).
УВЧ-диапазон - диапазон ультра высоких частот (300.3000 МГц)
ФНЧ - фильтр нижних частот.
8 - допустимый выброс на переднем фронте импульса на выходе устройств управления.
C к - барьерная емкость коллекторного перехода.
Cэ - барьерная емкость эмиттерного перехода.
Eг - амплитуда напряжения генератора моногармонического сигнала.
Eг max - максимальное значение амплитуды напряжения генератора
     моногармонического сигнала.
Eг / Eг ₘₐₓ - относительная амплитуда напряжения генератора
     моногармонического сигнала
Eсм - напряжение смещения.
fj - верхняя частота.
f0 - частота гармонического сигнала, подаваемого на вход устройств управления.
fт - граничная частота коэффициента усиления тока базы биполярного транзистора.
Iк доп - максимально допустимый ток коллектора.
Рк доп - максимально допустимая рассеиваемая мощность коллектора.
Q - скважность управляемых импульсов.
R₍₎ - волновое сопротивление тракта передачи в котором установлено УУ.
Rq - балластное сопротивление.
Rг - внутреннее сопротивление генератора высокочастотных колебаний.
Rн - сопротивление нагрузки.
t у - допустимое время установления фронта импульса на выходе устройств управления.
U q - модулирующий сигнал.
Uₘiₙ - Uₘₐₓ требуемый диапазон регулирования амплитуды импульсных сигналов на выходе устройства управления.
U вх - амплитуда входного напряжения.
U вх мах - максимальное значение амплитуды сигнала, подаваемого на вход устройств управления.
U вых - амплитуда выходного напряжения.
U вых ₘₐₓ - максимальное значение амплитуды выходных напряжений.

7

Uг max — максимальное значение амплитуды выходного напряжения генератора импульсных сигналов.
U кэдоп — максимально допустимое напряжение коллектор-эмиттер
U н - амплитуда переменного высокочастотного напряжения на нагрузке.
U упр — напряжение управления.

8

                Глава 1
                Известные устройства управления амплитудой гармонических и импульсных сигналов




     Устройства управления (УУ) амплитудой гармонических и импульсных сигналов условно можно разделить на устройства ограничения, устройства регулирования и устройства модуляции. Указанные устройства применяются во многих радиотехнических системах, например, в радиолокации, в радиосвязи, в передатчиках теле- и радиовещания.


            1.1. Устройства ограничения


     Устройства ограничения, применяемые в радиоэлектронном и электротехническом оборудовании, содержат элементы защиты, гарантирующие безопасную и надежную работу в различных ситуациях: при возникновении перенапряжений во время переходных процессов; разрядах статического электричества; в результате воздействия ударов молнии, индуцирующей высоковольтные выбросы. Устройства ограничения подразделяются на разрядники, варисторы, полупроводниковые ограничители напряжения. Устройства ограничения или ограничители напряжения предотвращают электрический пробой и защищают компоненты радиоаппаратуры от повреждения.
     Газоразрядные защитные устройства - это герметизированный и частично или целиком газонаполненный отрезок волноводной или коаксиальной линии передачи либо герметизированная и наполненная газом колба, устанавливаемая в линию передачи [1]. При низком уровне мощности газоразрядное защитное устройство является резонансным или полосовым фильтром. Режим запирания достигается в результате возникновения в разрядных промежутках разрядника разряда под действием входной мощности, превышающей пороговую. Возникновение разряда, теория которого развита в [2], сопровождается резким уменьшением полного сопротивления в плоскостях разрядных промежутков до значений, значительно меньших характеристического сопротивления линии. В результате большая часть подводимой мощности отражается и частично поглощается в нем.
     Варистор - это нелинейный прибор, который имеет симметричную вольтамперную характеристику, аналогичную характеристике стабилитрона. Серия оксидно-цинковых варисторов - это нелинейные резисторы, состоящие в основном из оксида цинка с добавлением оксидов других металлов. Они обладают симметричной высоконелинейной вольтамперной характеристикой при уникально высокой импульсной устойчивости. Оксидо-цинковые варисторы являются в настоящее время практически единственным быстродействующим средством защиты сложных и дорогостоящих полупроводниковых систем различного назначения. Уникальные свойства варисторов используются для создания

9

низкочастотных фильтров, необходимых для высокоскоростных линий передачи данных, для защиты от импульсных воздействий, для шумопоглощения (радио/электромагнитные помехи). Симметричность вольтамперных характеристик варистора является одним из его преимуществ перед ограничительными диодами [3].
      Высокое быстродействие варистора производитель может реализовать, только обеспечив достаточно малую индуктивность выводов изделия. Наименьшей индуктивностью обладают безвыводные варисторы. Время срабатывания варисторов 5-25 нс. Являясь разрядником, варистор, в простейшем случае устанавливается параллельно защищаемой схеме, последовательно с внутренним сопротивлением источника помех (имеется в виду сопротивление линии передачи данных с учетом омического импеданса кабеля). При отсутствии перенапряжения ток, проходящий через варистор, очень мал. Принцип защиты схемы варистором состоит в резком уменьшении его внутреннего сопротивления до долей Ом при возникновении импульса напряжения, и соответствующее шунтирование защищаемого объекта. Результатом является резкое увеличение тока, протекающего через варистор. Типичная вольтамперная характеристика варистора приведена на рис. 1.1.


Рис. 1.1. Вольтамперная характеристика варистора

     Полупроводниковые ограничители напряжения представляют собой отрезок линии передачи с параллельно включенными в него коммутирующими полупроводниковыми элементами [1]. По принципу действия ограничители подобны стабилитронам, поскольку основным физическим процессом, характеризующим их работу, является пороговое появление проводимости p-n перехода при определенном обратном напряжении. Однако ограничители имеют несколько отличные систему параметров, конструкцию и методику испытаний, обеспечивают более высокий уровень допустимого тока [4]. Ограничители рассчитаны на рассеивание энергии мощных одиночных импульсов напряжения в течение

10

ограниченного времени. Полупроводниковые диодные ограничители напряжения фиксируют заданный уровень напряжения на защищаемом устройстве. При превышении рабочего напряжения происходит обратимый лавинный пробой диода, он переходит в состояние с низким динамическим сопротивлением. В этом состоянии диодный ограничитель отводит импульсный ток перегрузки от защищаемого объекта и поглощает выбросы напряжения, превышающие напряжение пробоя. Время реакции на перенапряжение составляет несколько наносекунд (зависит от конструкции), импульсный ток - до сотен ампер, импульсная мощность - более 1 кВт [5, 6].
     Промышленность выпускает три разновидности ограничителей -обычные (или одиночные), симметричные и малоемкостные. Первые, составляющие наиболее многочисленную группу, предназначены для защиты от аварийных импульсов цепей постоянного тока. Для защиты цепей переменного тока включают либо два обычных ограничителя встречно параллельно, либо один симметричный (неполярный), представляющий собой пару p-n переходов, включенных встречно последовательно, как и у двуханодных стабилитронов. Пример встречно параллельного включения ограничителей в схеме компаратора на операционном усилителе приведен на рис. 1.2.


Рис. 1.2. Встречно параллельное включение ограничителей в схеме компаратора на операционном усилителе

     Малоемкостные ограничители предназначены для защиты высокочастотных цепей. Структура этих приборов состоит из обычного ограничителя и включенного последовательно с ним высоковольтного диода. Когда под действием аварийного импульса открывается ограничитель, открывается и диод. В обратном направлении малоемкостной ограничитель ток не пропускает, так как диод закрыт. Иначе говоря, эти ограничители -полярные, поэтому их надо включать в защищаемую цепь попарно встречно параллельно (рис. 1.3).


11

Рис. 1.3. Попарно встречно параллельное включение диодных ограничителей


     Введение последовательного диода позволяет сильно уменьшить общую емкость ограничителя. Для сравнения укажем, что емкость обычного ограничителя с напряжением открывания 200 В равна примерно 500 пФ, а у низковольтных может достигать 22000 пФ. Малоемкостные ограничители напряжения способны защитить линии связи переменного тока частотой до 100 МГц. [6]. Методы расчета и проектирования различных типов диодных ограничителей приведены в [1, 4, 8].


            1.2. Устройства регулирования


     Устройства регулирования амплитуды гармонических и импульсных сигналов или аттенюаторы строятся на основе резисторов при реализации фиксированного либо ступенчатого затухания [7] и на основе использования p-i-n диодов и транзисторов с затвором Шоттки [9] при плавной регулировке затухания.
     Аттенюаторы с фиксированным и ступенчатым затуханием с рассеиваемой мощностью от 10 Вт до 2 кВт выпускаются, например, в г. Новосибирске предприятием ООО ИТЦ КОНТУР [7]. Некоторые виды аттенюаторов приведены на рис. 1.4.

Рис. 1.4. Виды аттенюаторов: а) - 10 Вт, б) - 300 Вт, в) - 2 кВт.

     Электрически управляемые диодные аттенюаторы с плавной и ступенчатой регулировкой затухания выпускаются на 8 предприятиях России: ФГУП «НПП «Исток», г. Фрязино; ЗАО «ВЧТехнологии» и ООО «Планар», г. Челябинск; НПФ «Микран» и ОАО «НИИПП», г. Томск; ОАО «Тантал» и ОАО «ЦНИИИА», г. Саратов; ФГУП «ННИПИ «Кварц», г. Н. Новгород [9].

12

      Принцип действия электрически управляемых аттенюаторов основан на свойствах p-i-n диодов и транзисторов с затвором Шоттки изменять в широких пределах свое сопротивление при изменении протекающих через них токов. Изменение импеданса диодов и транзисторов, включенных в высокочастотный тракт, приводит к изменению вносимого ими ослабления. Использование различных схемотехнических и конструктивных решений, p-i-n диодов и транзисторов с затвором Шоттки с различным комплексом параметров, позволяет создать широкую гамму аттенюаторов в ОВЧ, УВЧ, СВЧ-диапазонах волн.
      Пример реализации электрически управляемого аттенюатора на транзисторах с затвором Шоттки приведен на рис. 1.5 [10].


Рис. 1.5. Аттенюатор на транзисторах с затвором Шоттки



            1.3. Устройства модуляции


     В настоящее время амплитудная модуляция гармонических сигналов применяется в звуковом радиовещании на длинных, средних и коротких волнах, в телевизионном вещании, в системах ближней радиосвязи, модуляция амплитуды импульсных сигналов и формирователи радиоимпульсов используются в радиолокации, системах цифровой связи [11]. Наибольшее применение при проектировании модуляторов амплитуды гармонических колебаний находят ламповые схемы сеточной и анодной модуляции , и транзисторные схемы с базовой и коллекторной модуляцией [11].
     Модуляторы амплитуды импульсных сигналов строятся с использованием того же принципа коллекторной модуляции, что и при построении модуляторов амплитуды гармонических колебаний. Примером может служить устройство управления и модуляции импульсных сигналов, описанное в [12].
     Меньшее распространение получили модуляторы на диодах, имеющие коэффициент передачи менее единицы. Примером может служить модуль преобразования частоты и модуляции высокочастотных колебаний (рис. 1.6), описанный в [13] с рабочим диапазоном частот 0,05... 1,5 ГГц и коэффициентом передачи минус 12 дБ.


13