Исследование активных фазовых корректоров с расширенным частотным диапазоном

Фазовые корректоры находят широкое применение в различных современных радиотехнических устройствах и системах. Они используются для коррекции фазовых искажений в каналах связи групповых трактов, в многоканальных информационно-измерительных системах, в аппаратуре передачи данных и в многомашинных вычислительных комплексах. Применение фазовых корректоров способствует повышению окорости и достоверности передаваемой информации и улучшению метрологических параметров различной измерительной аппаратуры. Поэтому часто качественные показатели всей системы в целом в значительной степени зависят от устройств фазовой коррекции [32,36,37,57,74].

Растущие требования к фазокорректирующим устройствам [32] с одной стороны, а тенденция к микроминиатюризации радиоаппаратур! с дру гой стороны обусловили появление и все более широкое применение активных ЕС-фазовых корректоров, способных обеспечить высокую точность коррекции при малых габаритах и хорошей стабильности параметров.

Особый интерес к АЕС-фазовым корректорам связан с возможностью их работы в режиме адаптации [21,74]. Адаптивные фазовые корректоры чаще всего представляют собой многозвенную систему. Так как для перестройки частот полюсов и нулей в звене второго порядка без деформации амплитудно-частотной характеристики требуется не менее двух элементов, такой корректор должен иметь большое число органов управления. Это затрудняет. его реализацию, снижает эксплуатационные и технические параметры. Поэтому одной из чисто практических задач является уменьшение количества органов перестройки, что способствует повышению эффективности и расширению функциональных возможностей адаптивных фазовых корректоров с автоматическим или программным управлением, осуществляющих. оптимальную обработку сигналов при изменяющихся внешних условиях.

Развитие микроэлектроники и выпуск интегральных операционных усилителей (ОУ) с высокими технико-экономическими показателями послужили стимулом для интенсивной разработки и широкого исследования активных ЕС-цепей на основе 07, технология изготовления которых хорошо сочетается с технологией микросхем, что создает предпосылки дяя комплексной микроминиатюризации радиоаппаратуры, позволяет значительно повысить ее надежность и технологичность, снизить вес и стоимость.

Теоретические основы анализа и синтеза активных ЕС-цепей заложены в трудах В. И. Анисимова, Н. Балабаняна, А. Ф. Белецкого, Е.А.Гил-лемина, Д. А. Калахана, А. А. Ланнэ, П. Н. Матханова, В. Н. Сифорова и ряда других отечественных и зарубежных ученых. Существенным вкладом в теорию и, что особенно важно, в практику. проектирования активных РС-цепей явились работы А. Е. Знаменского, Е. И. Куфлевского, Б. Г. Миронова, Г. Н. Славского, И. Н. Теплгока, Г. Л. Хазанова, М. З. Чаповского, В.Дж.Кервина, С. К. Митры, Л. П. Хьшсмана и др.

Методы реализации АБС-цепей на ОУ можно условно разделить на три подкласса ?67]. К первому из них относятся АБС-цепи, использующие в качестве активного элемента ОУ с несимметричными входом и выходом. Этот подкласс цепей достаточно полно исследован как в теоретическом, так и в прикладном аспектах [2,8,9,12,14,46,48−51,65,73, 78,82,94,100,107,109−111]. Анализ указанных работ показывает, что данные АЕС-цепи в своем большинстве не удовлетворяют современным требованиям, так как иногда требуют неканоническое число конденсаторов для реализации схемы второго порядка, имеют в ряде случаев высокое выходное сопротивление, что вызывает необходимость применения буферных усилителей, относительно высокую чувствительность и, как следствие, не позволяют получать большие добротности полюсов и нулей при приемлемой стабильности характеристик.

К второму подклассу относятся реализации на основе симметричного ОУ, выполненного в виде интегральной микросхемы. Этот подкласс цепей привлекает внимание исследователей с момента появления интегрального ОУ и по настоящее время. Основная причина интереса, проявляемого к подобным цепям, связана с широким распространением и универсальностью дифференциального ОУ (ДОУ). Главное, преимущество ДОУ связано с наличием двух хорошо развязанных входов. Это особенно удобно для построения неминимальнофазовых цепей, что нашло свое отражение в значительном числе публикаций, посвященных как вопросам синтеза ¡-23,67,105,ИЗ], так и вопросам реализации [2,7,11,16,23, 24,36,43,64,94 ДОЗ, 112,117,119,124]фазовых контуров.

Результаты исследований фазовых звеньев на основе одного ДОУ показали высокую чувствительность их характеристик, ограниченный частотный диапазон, трудность перестройки частот полюсов и нулей и малые запасы устойчивости при реализации высокодобротных функций передачи. Указанные недостатки сильно сужают область применения таких звеньев.

Существенно лучшими качественными показателями обладают АЕС-цепи третьего подкласса, объединяющего группу методов реализации, основанных на использовании принципов аналогового моделирования. Звенья этого подкласса содержат, как правило, два и более ОУ и обладают наряду с низкой чувствительностью более широким частотным диапазоном, простотой настройки, возможностью независимого изменения добротностей и частот полюсов и нулей, что создает благоприятные предпосылки для построения цепей с управляенми характеристиками, и рядом других достоинств. Методы синтеза АВС-цепей на основе аналогового моделирования считаются весьма перспективными и нашли отражение в многочисленных публикациях [5,34,45,48,50,51,67, 75,78,80,81,87,88,102,115,116,123]. ОУ в таких реализациях используется, в основном, в несимметричном включении. — Однако более широкие возможности в данном подклассе появляются при использовании симметричных ОУ, что позволяет благодаря со.

— 7 четанию положительных и отрицательных обратных связей экономично решать большой крут различных реализационных задач. Несмотря на значительные успехи, достигнутые в области активной КС-техники, формализованные методы синтеза цепей с использованием двух и более ОУ в дифференциальном включении, особенно с учетом различных критериев, фактически не разработаны, что снижает качество реализаций, получаемых при решении практических задач, и сдерживает использование потенциальных возможностей, заложенных во все выпускаемые промышленностью интегральные ОУ.

Основной причиной, ограничивающей область применения активных ЕС-цепей, является значительная степень влияния активных приборов на параметры схем, связанная, в первую очередь, с их частотными свойствами. Конечность полосы пропускания ОУ и соответствующая ей величина площади усиления (П) приводит к изменению основных параметров активных ЕС-цепей, снижает устойчивость их работы и повышает чувствительность к воздействию различных дестабилизирующих факторов. Зависимости доминирующих полюсов передаточной функции от площади усиления изучались как в отечественной [25−27,29,35,44,47, 52−54,58−60,67,87], так и в зарубежной [88,91−93,95−97,104,108,118, 12,127] литературе.

Результаты анализа показали, что влияние величины П в различных схемах разное и зависит от их структуры. В ряде звеньев конечное значение П вызывает увеличение добротности полюсов, в других-уменыпение. Найдены звенья [20,35,54,59,61,79,81,88,98,127], у которых при определенных соотношениях между элементами возможна минимизация или взаимная компенсация влияния П на затухание полюса и, следовательно, имеющие хорошие частотные свойства. Известны единичные реализации фазовых контуров второго порядка на основе таких звеньев [35,59,98]. Однако поскольку отклонения параметров полюсов и нулей передаточной функции одинаково сказывается на стабильности.

— 8 характеристик фазовых контуров [41,67], то минимизация шш компенсация влияния величины П только на полином знаменателя не решает проблему расширения частотного диапазона этих цепей.

Задача расширения диапазона рабочих частот может решаться следующими путями.

1. Использование для реализации АКС-цепей более высокочастотных активных элементов. Это, с одной стороны, не всегда возможно ввиду технико-экономических ограничений, а с другой — из-за отсутствия серийно выпускаемых промышленностью ОУ с требуемыми частотными свойствами.

2. Разработка специальной схемотехники и методов снижения чувствительности характеристик АКС-цепей к неидеальности активных элементов. Б рамках данного пути дня расширения частотного диапазона используются следующие способы:

— минимизация влияния частотных свойств ОУ с помощью пассивных компенсирующий цепей;

— применение АКС-цепей, в которых возможна взаимная компенсация влияния частотных свойств ОУ, участвующих в формировании передаточной функции, на параметры полюсов и нулей;

— компенсация влияния частотных свойств ОУ специальными активными цепями.

Детальное исследование АКС-цепей с пассивной компенсацией показывает возможность расширения диапазона рабочих частот в 2−3 раза [2б]. При возрастающих требованиях к точности фазовой коррекции этого явно недостаточно. Кроме того, существенное нарушение условий компенсации под действием различных дестабилизирующих факторов4 делает данный способ малопригодным для практического использования.

Результаты исследований АБС-цепей с взаимной компенсацией, полученные как в нашей стране, так и за рубежом, позволяют сделать вывод о том, что уменьшение влияния ОУ на параметр! этих цепей достигается при определешшх соотношениях между их пассивными элементами, но приводит к снижению других качественных показателей и усложнения процесса настройки. Жесткая взаимосвязь между координатами полюсов и условиями взаимной компенсации в таких схемах затрудняет их массовое производство и не позволяет существенно расширить частотный диапазон [54,59,81,88].

Наиболее эффективным способом расширения диапазона рабочих частот АЕС-цепей является использование усилителей с активной компенсацией. Важнейшими достоинствами АКС-цепей с активной компенсацией являются отсутствие зависимости между условиями компенсации и координатами полюсов и нулей идеализированной передаточной функции, простота настройки в условиях серийного производства, сохранение компенсации при воздействии дестабилизирующих факторов и, кроме того, возможность в процессе настройки уменьшить влияние на параметры цепи не только величины П, но и коэффициента подавления синфазного сигнала, влияние которого на высоких частотах может оказаться весьма существенным. Благодаря этому применение активной компенсации позволяет расширить частотный диапазон АНЗ-цепей не менее чем на порядок.

Б последние годы в литературе появились публикации, в которых исследуются усилители с активной компенсацией, реализующие передаточные функции инвертирующего и неинвертирующего интеграторов [56, 62,63,65,70−72,89,114,121], а также масштабных усилителей [56,62, 101,108,114,120−122]. Приводятся примеры реализаций АЕС-звеньев с использованием усилителей с активной компенсацией и результаты исследований [56,62,63,108,114], показывающие возможность минимизации влияния площади усиления ОУ на параметры полюсов передаточной функции. Применение ОУ с активной компенсацией и их функциональный перенос в известные структуры фазовых звеньев увеличивает расход оборудования и в ряде случаев, как это будет показано в подразделе 3.3, не позволяет обеспечить компенсацию влияния частотных свойств усилителей на параметр! передаточный функций. Известна модель и единственная реализация фазового контура [127], в которой выполняются условия взаимной компенсации влияния площадей усиления на затухания полюсов и нулей. Недостатком этой модели является невозможность получения точного равенства мезду частотами полюсов и нулей, что препятствует, как будет показано в подразделе 1.6, достижению малой неравномерности АЧХ на высоких частотах. Вместе с тем разработка высококачественных фазовых корректоров, в наименьшей степени подверженных влиянию частотных свойств активных элементов и, следовательно, пригодных для работы в широком диапазоне частот, имеет большое практическое значение, что связано с постоянно возрастающей потребностью в таких устройствах различных областей техники.

Такое положение требует детального рассмотрения принципов построения АЕС-цепей с активной компенсацией, поиска моделей и структур фазовых контуров, в которых автоматически обеспечивается точное равенство между частотами полюсов и нулей, а также исследования способов конструирования коэффициентов полинома числителя передаточной функции, в наименьшей степени подверженных влиянию площади усиления ОУ. Так как одновременный контроль параметров числителя и знаменателя передаточной функции значительно усложняет процедуру поиска реализаций с расширенным частотным диапазоном, то поставленные задачи представляется целесообразным решать в два этапа. Вначале рассматриваются топологические особенности формирования знаменателя передаточной функции цепи второго порядка и исследуются пути уменьшения влияния частотных свойств 07 на параметры полюсов, а также разрабатывается методика синтеза низкочувствительных схем с расширенным частотным диапазоном. На втором этапе исследуются модели фазовых звеньев и методы формирования числителя передаточной функции, выделяются модели, наиболее перспективные с точки зрения частотных. свойств, и разрабатываются способы уменьшения влияния частотных свойств ОУ на параметры нулей.

Данный подход позволяет создать достаточно формализованную процедуру синтеза низкочувствительных фазовых контуров с расширенным частотным диапазоном.

На современном этапе развития техники фазовой коррекции широкому внедрению ЛЕС-фазовых корректоров препятсвует отсутствие в литературе методов синтеза фазовых звеньев с учетом различных критериев, исчерпывающих сведений об активной компенсации влияния частотных свойств 07 на параметры полюсов и нулей передаточных функций, а также высококачественных схемно-технических решений. По этой причине неоправданно сужается область применения фазовых корректоров, затрудняется оптимизация их качественных показателей, а возможности современной элементной базы используются недостаточно полно.

Поэтому теоретические и экспериментальные исследования в области теории АБС-цепей и разработка на современной элементной базе фазовых контуров, удовлетворяющих таким важнейшим критериям, как широкий диапазон рабочих частот, стабильность амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик, простота настройки, возможность комплексной микроминиатюризации и другим, вытекающим из практики реализации фазовых корректоров, являются актуальными.

Цель и задачи исследования

Целью диссертационной работы являются теоретические исследования и разработка схемотехнических решений на современной элементной базе фазовых контуров как с постоянными, так и с переменными параметрами, предназначенных для работы в широком диапазоне частот и имеющих улучшенные качественные показатели, а также создания на их основе конкретных фазокорректируищих устройств 'радиотехнических систем.

Поставленная цель достигается решением следующих взаимосвязанных задач:

— исследование обобщенной модели АЕС-цепей с дифференциальными.

ОУ и нахождение ее передаточной функции с учетом влияния частотных свойств усилителей (подразделы 1.1, 1,3, П. 1.1);

— разработка формализованного метода синтеза низкочувствительных звеньев второго порядка с каноническим числом конденсаторов и минимальным влиянием активных элементов (подраздел 1.4);

— разработка и исследование реализованных на основе полученных звеньев фазовых контуров второго порядка, имеющих расширенный диапазон рабочих частот (подразделы 3.2, 3.3, П. З);

— исследование возможности создания и разработка фазовых контуров с одноэлементной перестройкой частот полюса и нуля, пригодных для адаптивных систем (подраздел 3.4);

— экспериментальная проверка теоретических выводов, а также разработка и внедрение фазокорректирущих устройств, предназначенных для использования в системах обработки радиотехнических сигналов (подразделы 3.2−3.4, 4.3−4.5).

Основные методы исследования. Для решения поставленных задач использовались общие методы анализа линейных электрических цепей с привлечением аппарата матричной алгебры, теории сигнальных графов и методов теории чувствительности. Экспериментальные исследования проводились по известным методикам измерения параметров и характеристик активных фильтров и фазовых корректоров.

Научная новизна. Предложена обобщенная модель активных ЕС-цепей с дифференциальными ОУ, на основании которой получены соотношения, применимые ко всем реально возникающим на практике случаям, и позволявдие проводить как анализ существующих схемных решений, так и поиск новых топологических вариантов с учетом влияния активных элементов на параметры схем.

Для наиболее употребительных на практике АКС-цепей, содержащих: два, три и четыре дифференциальных ОУ, найдены выражения передаточных функций, позволяющие проводить целенаправленный поиск АКС-схем с минимальным влиянием частотных свойств ОУ на координаты полюсов и нулей.

Рассмотрена и решена задача построения активных ЕС-цепей с взаимной компенсацией влияния площадей усиления на основе ОУ в несимметричном включении и получены сигнальные графы таких схем.

Сформулированы критерии синтеза АБС-фазовых контуров с расширенным частотным диапазоном и улучшенными качественными показателями и доказано существование модели, позволяющей проектировать фазовые контуры на высокие рабочие частоты с компенсацией влияния площади усиления одновременно на параметр! числителя и знаменателя передаточной функции.

Предложена последовательная и в определенной степени формализованная методика синтеза АВС-цепей на основе решающих усилителей, позволяющая прогнозировать частотные свойства реализации.

Предложен способ активной компенсации влияния площади усиления ОУ на параметр! нулей передаточной функции фазовых контуров.

Предложен и проанализирован ряд фазовых контуров, в которых, в отличие от известных, выполняется точное равенство между частотами полюса и нуля и обеспечена компенсация влияния частотных свойств ОУ на параметр! передаточной функции.

Рассмотрен метод проектирования перестраиваемых фазовых контуров второго порядка, в которых возможно синхронное изменение частот полюса и нуля единственным элементом.

Практическая ценность работы. Полученные результаты предназначены для специалистов, занимающихся разработкой разнообразной радиоэлектронной аппаратуры, и могут служить основой для проектирования высококачественных широкодиапазонных фазовых корректоров как с постоянными, так и с управляемыми параметрами. Разработанный каталог фазовых звеньев расширяет проектировщикам возможность выбора конкретных реализаций с учетом технологических и экономических факторов.

Внедрение теоретических и практических результатов диссертационной работы в научно-исследовательских, проектно-конструкторских организациях и на промышленных предприятиях создает предпосылки для повышения качественных и экономических показателей радиотехнических систем.

Объем и структура диссертации. Диссертация содержит основную часть и 4 приложения. Основная часть состоит из четырех разделов и заключения, изложенных на 150 страницах машинописного текста, библиографии, включающей 127 наименований. Приложения к диссертации выполнены на 57 страницах.

Во введении выполнен обзор литературных источников и рассмотрено состояние вопроса, сфоряулированы задачи исследования и определено общее направление их решения.

В первом разделе рассмотрена обобщенная модель АБС-цепей с дифференциальными ОУ и разработана методика синтеза фазовых контуров с расширенным частотным диапазоном.

Во втором разделе осуществлен детальный анализ АБС-схем с учетом конечной величины площади усиления ОУ.

В третьем разделе выполнен синтез фазовых звеньев второго порядка как с постоянными, так и с управляемыми параметра®-, предназначенных для работы в широком диапазоне частот.

В четвертом разделе рассмотрены вопросы инженерного проектирования и приведены примеры реализаций фазокорректирущих устройств с улучшенными качественными показателями.

В приложениях приведены соотношения для передаточных функций АКС-цепей с четырьмя ДОУ, каталог разработанных фазовых контуров, сравнительная характеристика решающих усилителей с активной компенсацией площади усиления ОУ, а также найдены условия взаимной компенсации влияния П для схем с несимметричным включением ОУ. i. тошлогические особенности синтеза авс-цепей с распиленным частотным диапазоном.

Целенаправленный поиск принципиальных схем (структурный синтез) опирается на анализ обобщенной модели многопетлевых активных ВС-цепей [67]. Изучение возможных принципов конструирования коэффициентов передаточных функций позволяет проводить синтез с учетом различных критериев (чувствительности, степени влияния площади усиления, коэффициента усиления на постоянном токе и др.) и дает возможность существенно сократить число переборов различных схемных решений, что в конечном итоге определяет эффективность этапа проектирования АЕС-цепей. Известные обобщенные модели предполагают использование ОУ в несимметричном включении [Пб] либо применение совершенных интеграторов [67, 78, 80, 81], где способ включения ОУ остается прежним. Именно поэтому основные реализации АЕС-схем [35, 48, 67, 78, 80, 81] не используют потенциальные возможности, заложенные в дифференциальные ОУ.

Основное преимущество ДОУ заключается в наличии двух (инвертирующего и неинвертирующего) достаточно хорошо развязанных путей передачи сигнала, что позволяет весьма компактно решить целый ряд реализационных задач, возникающих при разработке как минимально-, так и неминимальнофазовых цепей. Однако, несмотря на большие возможности, связанные с использованием дифференциальных ОУ, наиболее полно разработан синтез активных цепей, содержащих только один усилитель [67]. Цепи с одним ДОУ часто не удовлетворяют требованиям по целому ряду таких важных критериев, как чувствительность, простота настройки, малый разброс элементов, возможность перестройки по частоте и т. д. Более высокими качественными показателями обладают цепи, содержащие два и более ДОУ, поскольку они, во-первых, имеют низкую чувствительность добротности к изменению параметров элементов цепи, и, во-втозк, обладают достаточным количеством степеней свободы для удовлетворения большинству различных конструктивно-гехнологЕлеских требований.

Настоящий раздел посвящен анализу свойств АЕС-цепей с дифференциальными ОУ с учетом влияния активных элементов, разработке критериев и методики структурного синтеза схем с расширенным частотным диапазоном, а также исследованию частотных свойств активных цепей с несимметричными ОУ и моделей АБС-фазовых контуров.

Основные результаты работы были доложены и обсуздались на следующих семинарах и конференциях:

— второй и четвертой региональных школах-семинарах «Активные избирательные системы», Таганрог, 1975, 1981 гг.;

— второй Всесоюзной конференции по теории чувствительности, Москва, 1978 г.;

— постоянно действующей Всесоюзной научно-технической школе НТОРЭС им. А. С. Попов, а «Элементы и узлы радиоаппаратуры», Москва, 1983, 1984 гг.;

— научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Таганрогского радиотехникеского института им. В. Д. Калмыкова в 1978 г., 1980;1984 гг.

По материалам диссертации опубликовано 13 печатных работ, включая одно авторское свидетельство на изобретение. Кроме того, отдельные результаты теоретических и экспериментальных исследований отражены в двух отчетах по научно-исследовательским работам.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.