Широкополосный сверхвысокочастотный усилитель страдает врождённым пороком: чем выше частота, тем меньше он усиливает. Сигнал на нижнем краю полосы проходит бодро, а на верхнем еле дотягивает, и на выходе вместо ровной характеристики получается покатый склон. Для одиночного канала это полбеды, но в широкополосной системе, где по одной полосе идут десятки несущих, такой наклон означает, что одни каналы громче других, а на верхних частотах усилитель и вовсе теряет мощность. Ровную полосу приходится не получать даром, а отвоёвывать специальными мерами.
Парадокс в том, что для выравнивания характеристики в неё нарочно вносят ещё большую неравномерность, только обратного знака. Ставят цепь, которая сама по себе заваливает усиление на низких частотах и пропускает высокие, и её подъём в точности гасит спад транзистора. Две кривые с противоположным наклоном складываются в горизонтальную линию. Разберём, откуда берётся спад усиления, как считают его крутизну и какими цепями его компенсируют, расплачиваясь то усилением, то согласованием, то устойчивостью.
Внутренняя ёмкостная связь как причина спада усиления
Корень спада усиления лежит внутри самого транзистора. Между его выходом и входом неизбежно существует паразитная ёмкость, через которую часть выходного сигнала возвращается обратно на вход. На низких частотах эта ёмкость имеет высокое сопротивление и почти не влияет, но с ростом частоты её сопротивление падает, обратная связь усиливается, и она всё сильнее подавляет усиление. К внутренней ёмкости добавляется ёмкость корпуса и выводов, и совокупно они заваливают характеристику тем круче, чем выше частота.
Крутизна этого спада имеет характерное значение. В широкополосном транзисторном усилителе усиление падает примерно на шесть децибел на октаву на каждый каскад, если не принять мер компенсации. Октава это удвоение частоты, и шесть децибел на октаву означают, что при переходе от одной частоты к вдвое большей усиление падает вдвое по напряжению. Для многокаскадного усилителя спады складываются, и трёхкаскадная схема без компенсации завалит характеристику уже на восемнадцать децибел на октаву, превращая полезную полосу в узкую горку.
Последствия наклона выходят за пределы простой неравномерности. Помимо перекоса усиления по полосе, спад снижает уровень сигнала, поступающего на следующие каскады на высоких частотах, и это заметно урезает выходную мощность усилителя именно на верхнем краю. В многоканальной передаче даже небольшой наклон порождает перекрёстные помехи между каналами, потому что сильные нижние каналы давят слабые верхние. Поэтому выравнивание характеристики это не косметика ради красивого графика, а условие нормальной работы широкополосного тракта.
Параллельная обратная связь как простейший способ выравнивания
Самый прямой способ выровнять усиление это ввести в усилитель частотно-зависимую обратную связь, противодействующую его собственному спаду. Параллельная отрицательная обратная связь с резистора и реактивного элемента, включённая с выхода на вход, может выровнять характеристику. Идея в том, чтобы обратная связь сильнее подавляла усиление на низких частотах, где транзистор и так усиливает с запасом, и слабее на высоких, где усиление в дефиците. Так провал на высоких частотах подтягивается к уровню низких.
Реализуют это, делая цепь обратной связи реактивной. Если в петлю обратной связи поставить элемент, сопротивление которого растёт с частотой, то на высоких частотах обратная связь ослабевает, отпуская усиление, а на низких усиливается, придавливая его. Существует подход, при котором характеристику нарочно наклоняют так, чтобы усиление росло пропорционально корню из частоты. Отрицательная обратная связь с коллектора на базу даёт усиление, отслеживающее корень из частоты в разумном приближении на значительном диапазоне, и этим компенсирует спад.
У обратной связи есть весомый недостаток, ограничивающий её применение. Платя усилением за выравнивание, она снижает общий коэффициент передачи каскада, и тем сильнее, чем больше нужно скомпенсировать. Кроме того, петля обратной связи меняет входное и выходное сопротивления транзистора, расстраивая согласование, которое в широкой полосе и без того даётся тяжело. Поэтому обратная связь хороша как грубое средство, но для точного выравнивания с сохранением согласования и усиления переходят к отдельным выравнивающим цепям, не вмешивающимся в работу транзистора напрямую.
Выравниватель с положительным наклоном против спада усилителя
Более точное решение это отдельный выравниватель, эквалайзер, включаемый последовательно с усилителем. Его задача проста: иметь характеристику, зеркальную к спаду усилителя, то есть пропускать высокие частоты лучше низких. Положительный наклон выравнивателя складывается с отрицательным наклоном усилителя, и сумма получается плоской. Поскольку усилитель почти всегда заваливает усиление к верху полосы, чаще всего нужен именно выравниватель с положительным наклоном, хотя бывают нужны и другие формы, вплоть до синусоидального контура.
Строят выравниватель на основе резонансного контура. Если настроить резонанс чуть выше рабочей полосы, то в самой полосе цепь даёт положительный наклон усиления по частоте, который теоретически в точности гасит отрицательный наклон типового широкополосного усилителя. Резонанс выше полосы означает, что в рабочем диапазоне цепь работает своим нарастающим склоном, пропуская верхние частоты лучше нижних. Топологию выравнивателя выполняют в виде аттенюатора, чаще всего в форме звена с тремя элементами, в виде буквы пи или тройника, дополненного реактивными ветвями.
Конкретные цифры показывают возможности метода. Выравнивающий фильтр на основе волноводной структуры с фотонной запрещённой зоной обеспечивал положительный наклон в полосе от 8.5 до 18.5 гигагерца, давая до десяти децибел компенсации с хорошим согласованием, низкими избыточными потерями и малыми потерями всего около 0.08 децибела на верхней частоте. Активные выравниватели на основе резонансных цепей в петле или нагрузке дифференциального каскада достигают наклонов от полусотни до сотни децибел на гигагерц, причём знак наклона можно менять, выбирая последовательный или параллельный резонатор.
Отражательное и поглощающее выравнивание и цена каждого
Выравнивающие цепи делятся на два принципиально разных типа по тому, что они делают с лишней энергией на тех частотах, где должны давать затухание. Отражательный выравниватель отражает ненужную энергию обратно, а поглощающий рассеивает её в собственном сопротивлении. Выбор между ними определяется схемой усилителя и имеет серьёзные последствия для согласования и устойчивости.
Отражательное выравнивание уместно в балансных каскадах. Там два одинаковых усилителя включены между направленными ответвителями, и отражённая выравнивателем энергия уходит в согласованные нагрузки ответвителей, рассеиваясь в них без вреда. Балансная схема как бы поглощает отражения своей структурой, и потому отражательный выравниватель в ней работает чисто. Это одна из причин, по которой балансные усилители популярны в широкополосной технике несмотря на удвоение числа транзисторов.
В одиночном, несбалансированном каскаде отражательный выравниватель опасен. Отражённая им энергия не находит выхода и остаётся в схеме, поднимая коэффициент стоячей волны и снижая запас устойчивости усилителя. Здесь нужен поглощающий выравниватель, который рассеивает лишнюю энергию в резисторах, не возвращая её в тракт. Поглощающие цепи жертвуют частью сигнала ради чистого согласования, и эта потеря то самое неизбежное затухание, которым выравниватель оплачивает ровную характеристику. На сверхвысоких частотах выравниватели приходится делать распределёнными, из отрезков линий, потому что сосредоточенные элементы перестают работать как идеальные.
Расчёт величины компенсации и подбор наклона цепи
Перейдём к конкретному расчёту выравнивания. Сначала измеряют или вычисляют спад усилителя по полосе. Пусть усилитель имеет наклон шесть децибел на октаву, а рабочая полоса простирается от 2 до 8 гигагерц, то есть на две октавы. Полный перепад усиления по полосе составит 6 умножить на 2, то есть 12 децибел: на верхней частоте усилитель слабее нижней на двенадцать децибел. Именно столько компенсации должен дать выравниватель, подняв верх полосы относительно низа на двенадцать децибел.
Переведём это в наклон на единицу частоты, удобный для подбора цепи. Полоса от 2 до 8 гигагерца имеет ширину 6 гигагерц, и перепад 12 децибел на ней даёт средний наклон 12 разделить на 6, то есть 2 децибела на гигагерц. Выравниватель должен обеспечить положительный наклон около двух децибел на гигагерц в этой полосе. Если спад усилителя нелинеен по частоте, наклон выравнивателя тоже делают переменным, подгоняя его форму под форму спада, чтобы компенсация была точной на каждой частоте, а не только в среднем.
Подбор параметров резонансной цепи ведут от требуемого наклона и согласования. Резонансную частоту контура ставят выше верхнего края полосы, чтобы в полосе работал нарастающий склон, а добротность подбирают так, чтобы крутизна склона дала нужный наклон в децибелах на гигагерц. Затем проверяют согласование на входе и выходе выравнивателя, потому что плохо согласованная цепь внесёт паразитные пульсации поверх плавного наклона. Каскадируемые выравниватели позволяют набрать большую компенсацию, соединяя несколько звеньев, и дают большую точность, чем обратная связь, жертвуя при этом меньшим усилением и не меняя входное и выходное сопротивления транзистора.
Температурная зависимость затухания и адаптивное выравнивание
Затухание тракта не постоянно, оно само плывёт с температурой, и это добавляет выравниванию ещё одно измерение сложности. Потери в кабелях и линиях растут с нагревом, и характеристика, идеально выровненная при комнатной температуре, перекашивается на жаре. Для систем, где усилитель компенсирует затухание длинных кабелей, это особенно болезненно, потому что разные кабели и разные длины дают разное затухание, да ещё и меняющееся с погодой.
Раньше с этим боролись ручной подстройкой. Поскольку усилитель должен компенсировать затухание любого из множества разных кабелей разной длины, в схему вводили регулируемую вручную обратную связь для настройки под конкретный тракт. Но ручная настройка фиксирует выравнивание в одной точке, а затухание кабеля зависит от меняющихся условий среды, и более высокая температура обычно увеличивает затухание, уводя характеристику от настроенной. Ручной подход не успевает за дрейфом, и характеристика снова перекашивается.
Современное решение это адаптивное выравнивание с переменным наклоном. Активный выравниватель строят так, чтобы его наклон можно было плавно менять, подстраивая под текущее затухание тракта и температуру. Дифференциальные активные выравниватели с переменным положительным или отрицательным наклоном создают именно для частотной и температурной компенсации, и их наклон легко регулируется под разнообразные жёсткие требования. Схему с несколькими переключаемыми конфигурациями делают так, чтобы получить набор дискретных частотных характеристик, между которыми система переключается по обстановке. Так выравнивание из разовой настройки превращается в непрерывную подстройку, удерживающую полосу ровной при любом дрейфе затухания.
Сведение выравнивания в единый компромисс полосы и согласования
Соберём все приёмы выравнивания воедино. Источник спада это внутренняя ёмкостная обратная связь транзистора, заваливающая усиление примерно на шесть децибел на октаву на каскад. Грубо его лечит частотно-зависимая обратная связь, точнее отдельный выравниватель с положительным наклоном на резонансной цепи, настроенной выше полосы. Тип выравнивателя, отражательный или поглощающий, выбирают по схеме: отражательный в балансных каскадах, поглощающий в одиночных. Температурный и кабельный дрейф затухания компенсируют адаптивным выравнивателем с переменным наклоном.
Числовая цепочка расчёта проходит насквозь. Спад шесть децибел на октаву на полосе в две октавы дал полный перепад двенадцать децибел, что в пересчёте на ширину полосы 6 гигагерц составило средний наклон два децибела на гигагерц. Этот наклон и закладывают в выравниватель, ставя резонанс выше полосы и подбирая добротность под нужную крутизну. Реальные выравниватели обеспечивают компенсацию до десяти и более децибел в полосах шириной в декаду с малыми потерями порядка десятых долей децибела, что подтверждает практическую достижимость ровной характеристики.
Грамотное выравнивание это всегда компромисс между ровной полосой, усилением, согласованием и устойчивостью. Обратная связь выравнивает, но крадёт усиление и расстраивает согласование. Поглощающий выравниватель даёт чистое согласование, но жертвует частью сигнала на затухание. Отражательный выравниватель не тратит усиление, но безопасен только в балансной схеме. Адаптивный выравниватель держит полосу ровной при дрейфе, но усложняет схему управлением наклоном. Опытный разработчик сводит тип обратной связи, топологию выравнивателя, его наклон и при необходимости адаптивную подстройку в одно решение, где характеристика остаётся плоской во всей полосе, усиление и мощность сохраняются на верхних частотах, согласование не страдает, а устойчивость держится с запасом во всём диапазоне условий.
Канал сайта в Telegram
Канал сайта на YouTube