eng
Выпуск #4/2001
П.Приходько, Д.Приходько.
Моделирование стабильности усилителя мощности, контролируемого напряжением
Моделирование стабильности усилителя мощности, контролируемого напряжением
Просмотры: 2755
Главное назначение усилителя мощности, контролируемого напряжением (УМКН), – обеспечение требуемых полосы пропускания и диапазона коэффициента усиления на выбранной СВЧ. Эти функции может выполнять аттенюатор, контролируемый напряжением. Но, как правило, предпочтение отдается усилителям мощности c лучшими шумовыми характеристиками. Кроме того, логичней задавать требуемый коэффициент усиления, чем усиливать сигнал до максимума, а затем ослаблять до заданного уровня. Для стабилизации характеристик УМКН используется замкнутая петля обратной связи, но это может привести к возникновению незатухающих колебаний. Чтобы их исключить, целесообразно моделировать потенциальную нестабильность УМКН с петлей обратной связи и способы ее регулирования.
Поскольку основной параметр, влияющий на стабильность всей системы, – передаточная функция УМКН на малом сигнале AVCA(s), для точного анализа нестабильности системы необходимо знать значение этой функции для каждого уровня выходной мощности. Схема измерения (или моделирования) передаточной функции приведена на рис.1. Предположим, что a(t) и c(t) – входные синусоидальные СВЧ- и низкочастотный управляющий сигналы УМКН, соответственно. Тогда а(t) = Acsin(wct), а c(t) = Amsin(wmt) , где wc= 2pfc и wm= 2pfm, Ac и Am.– передаточные функции сигналов на несущей и модулирующей частотах, соответственно. Выходной СВЧ-сигнал b(t) – результат амплитудной модуляции входного СВЧ-сигнала a(t) низкочастотным сигналом управляющего интерфейса УМКН c(t). Передаточная характеристика интерфейса, как правило, низкочастотная. В этом случае b(t) = Ac[1+masin(wmt)]. sin(wct), где ma – коэффициент модуляции, или, с использованием компонентов несущей и двух сигналов боковых полос,
...
Если для поддержания амплитуды модулирующего сигнала постоянной его частота fm возрастает до fm max , то значения частот двух сигналов боковых полос соответственно либо возрастают, либо уменьшаются по сравнению с fc (рис.2). Для правильного функционирования петли обратной связи значение fm max должно на порядок превышать обратную величину времени распространения сигнала в замкнутой петле обратной связи tresp, т.е.
...
Для правильного моделирования AVCA(s) нужно рассмотреть две ситуации.
1. f-3дБ(VCA) > f-3дБ(RC) (рис.3), где f-3дБ(VCA) и f-3дБ(RC) – значения частот УМКН по уровню 3 дБ без управляющего интерфейса и с ним, соответственно. Эти частоты определяют значения передаточной функции на малом сигнале без управляющего интерфейса и с ним
...
В таком случае полюсы передаточной функции УМКН можно моделировать с помощью RC-фильтра низких частот (ФНЧ):
...
Изменение коэффициента усиления можно получить из кривой зависимости выходной мощности от управляющего напряжения. Эта функция не линейна, и следовательно, коэффициент усиления не постоянен в динамическом диапазоне (рис.4). Поэтому следует определять самый потенциально нестабильный участок с максимальным коэффициентом усиления:
...
где Voutn – напряжение, соответствующее выходной мощности Poutn;
...
где V’outn – напряжение, соответствующее выходной мощности P’outn.
...
Таким образом, моделирование коэффициента усиления на малом сигнале AVCA(s) показало, что, пропуская через ФНЧ управляющее напряжение, можно изменять доминантный полюс УМКН и, тем самым, путем выбора необходимой RC-константы ФНЧ первого порядка обеспечивать необходимый запас по фазе (не менее 60°) для корректного функционирования УМКН с замкнутой петлей обратной связи.
2. Вторая ситуация: f-3дБ(VCA) < f-3дБ(RC) (рис.5). В этом случае применение ФНЧ не имеет смысла, так как он только внесет дополнительный фазовый сдвиг и тем самым уменьшит запас устойчивости схемы по фазе.
Передаточная характеристика определяется как
...
Ее значение зависит только от параметров УМКН, в первую очередь от наклона зависимости выходной мощности от управляющего напряжения, и рассчитать ее трудно. Для корректного функционирования УМКН также необходим запас по фазе не менее 60°. Так что в данном случае необходимая стабильность УМКН с замкнутой петлей обратной связи устанавливается путем выбора наклона зависимости выходной мощности от управляющего напряжения.
Литература
Pankaj Goyal. Automatic gain control in burst communications systems. – RF design, 2000, Feb.
Басюк М. Н, Приходько Д.П. Методика расчета и проектирования петель обратной связи для биполярных усилителей мощности, работающих в стандарте GSM-900.
...
Если для поддержания амплитуды модулирующего сигнала постоянной его частота fm возрастает до fm max , то значения частот двух сигналов боковых полос соответственно либо возрастают, либо уменьшаются по сравнению с fc (рис.2). Для правильного функционирования петли обратной связи значение fm max должно на порядок превышать обратную величину времени распространения сигнала в замкнутой петле обратной связи tresp, т.е.
...
Для правильного моделирования AVCA(s) нужно рассмотреть две ситуации.
1. f-3дБ(VCA) > f-3дБ(RC) (рис.3), где f-3дБ(VCA) и f-3дБ(RC) – значения частот УМКН по уровню 3 дБ без управляющего интерфейса и с ним, соответственно. Эти частоты определяют значения передаточной функции на малом сигнале без управляющего интерфейса и с ним
...
В таком случае полюсы передаточной функции УМКН можно моделировать с помощью RC-фильтра низких частот (ФНЧ):
...
Изменение коэффициента усиления можно получить из кривой зависимости выходной мощности от управляющего напряжения. Эта функция не линейна, и следовательно, коэффициент усиления не постоянен в динамическом диапазоне (рис.4). Поэтому следует определять самый потенциально нестабильный участок с максимальным коэффициентом усиления:
...
где Voutn – напряжение, соответствующее выходной мощности Poutn;
...
где V’outn – напряжение, соответствующее выходной мощности P’outn.
...
Таким образом, моделирование коэффициента усиления на малом сигнале AVCA(s) показало, что, пропуская через ФНЧ управляющее напряжение, можно изменять доминантный полюс УМКН и, тем самым, путем выбора необходимой RC-константы ФНЧ первого порядка обеспечивать необходимый запас по фазе (не менее 60°) для корректного функционирования УМКН с замкнутой петлей обратной связи.
2. Вторая ситуация: f-3дБ(VCA) < f-3дБ(RC) (рис.5). В этом случае применение ФНЧ не имеет смысла, так как он только внесет дополнительный фазовый сдвиг и тем самым уменьшит запас устойчивости схемы по фазе.
Передаточная характеристика определяется как
...
Ее значение зависит только от параметров УМКН, в первую очередь от наклона зависимости выходной мощности от управляющего напряжения, и рассчитать ее трудно. Для корректного функционирования УМКН также необходим запас по фазе не менее 60°. Так что в данном случае необходимая стабильность УМКН с замкнутой петлей обратной связи устанавливается путем выбора наклона зависимости выходной мощности от управляющего напряжения.
Литература
Pankaj Goyal. Automatic gain control in burst communications systems. – RF design, 2000, Feb.
Басюк М. Н, Приходько Д.П. Методика расчета и проектирования петель обратной связи для биполярных усилителей мощности, работающих в стандарте GSM-900.
Отзывы читателей
