СПОСОБ УСИЛЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ Российский патент 2001 года по МПК H03F1/34 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано для создания усилителей на электронных приборах (как на электронно-вакуумных, так и твердотельных), обладающих высоким коэффициентом усиления по мощности и низким уровнем нелинейных искажений и шумов.

Известно, что достижение высокого коэффициента усиления электрических сигналов, с одной стороны, и компенсация нелинейных искажений и шумов, вносимых усилительными элементами, с другой стороны, - противоречащие друг другу задачи [1].

В частности, если решается задача получения более высокого коэффициента усиления без дополнительных усилительных каскадов, то применяют положительную обратную связь. Однако при этом соответственно возрастают нелинейные искажения и шумы, вносимые усилительным элементом, сужается полоса пропускания и падает стабильность усиления. Кроме того, возможности такого метода ограничены: значение коэффициента положительной обратной связи должно быть менее "1", иначе усилитель самовозбуждается.

С другой стороны, если стремятся повысить стабильность работы усилителя, уменьшить вносимые усилительным элементом нелинейные искажения и шумы, то применяют отрицательную обратную связь. При этом однако падает коэффициент усиления усилителя и для его сохранения приходится либо наращивать число усилительных каскадов, либо использовать усилительные элементы с более высокими передаточными характеристиками, которые технологически более сложны и дороги. Кроме того, в этом случае принципиально невозможно полностью подавить собственные нелинейные искажения и шумы усилительных элементов.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является способ усиления электрических сигналов с использованием балансной обратной связи [2]. Известный способ включает формирование суммарного сигнала, состоящего из усиливаемого сигнала и сигнала балансной обратной связи, разделение упомянутого суммарного сигнала на две составляющие, одну из которых подают на вход усилительного устройства, а вторую, после суммирования с сигналом, противофазным усиливаемому сигналу и прямо пропорциональным сигналу на выходе усилительного устройства, дополнительно усиливают и используют в качестве упомянутого сигнала балансной обратной связи.

На фиг. 1 представлена эквивалентная схема, реализующая известный способ. Схема содержит: источник 1 усиливаемых сигналов, выход которого последовательно через сумматор 2 и разветвитель 3 подключен ко входу усилительного устройства 4. Также схема содержит вычитатель 5, прямой вход которого подсоединен ко второму выходу разветвителя 3, инверсный - через делитель мощности 6 к выходу усилительного устройства 4, а выход - через усилитель 7 сигнала балансной обратной связи соединен со вторым входом сумматора 2. Для пояснения сущности известного способа и заявляемого изобретения введены следующие обозначения:
P_G - выходная мощность усиливаемого сигнала на выходе источника 1;
P_OC - мощность сигнала балансной обратной связи на выходе усилителя 7 (на втором входе сумматора 2);
- мощность сигнала балансной обратной связи на выходе вычитателя 5;
- коэффициент усиления по мощности усилителя 7, при этом полагаем что усилитель 7 является идеальным и не вносит нелинейных искажений в усиливаемый сигнал, подаваемый на его вход;
P_Σ - мощность сигнала на выходе сумматора 2;
k₁ и k₂ - коэффициенты деления по мощности разветвителя 3, при этом k₁ + k₂ = 1;
Pувх

- мощность сигнала на входе усилительного устройства 4;
Pувых - мощность сигнала на выходе усилительного устройства 4;
KуP - коэффициент усиления по мощности усилительного устройства 4;
- коэффициент усиления по мощности усилительного устройства 4 в предположении, что усилительное устройство 4 является идеальным;
α - коэффициент, характеризующий нелинейные искажения реального усилительного устройства 4, при этом
b - коэффициент деления по мощности делителя 6.

Определим мощность сигнала Pувых

на выходе усилительного устройства 4, принимая во внимание, что

Мощность сигнала Pувх на входе усилительного устройства 4 равна
Pувх= k₂P_Σ или (2)
Pувх= k₂(P_G+P_oс). (3)
Мощность сигнала балансной обратной связи на выходе вычитателя 5 равна или, с учетом (1) и (2):

Мощность сигнала P_OC балансной обратной связи на выходе усилителя 7 равна (здесь полагаем, что усилитель 7 - идеальный) или с учетом (4)

Подставляя выражение (5) в (3), получаем

Решая (6) относительно Pувх,, получаем

Если выбрать таким, что

что не противоречит реальным значениям, так как k₁ < 1, то получаем

то есть мощность сигнала на входе усилительного устройства 4 обратно пропорциональна α.

Подставляя (9) в (1), получаем окончательное выражение для значения мощности Pувых

выходного сигнала усилительного устройства 4

Из выражения (10) следует, что значение мощности Pувых выходного сигнала усилительного устройства 4 не зависит от α, то есть благодаря балансной обратной связи в известном способе можно скомпенсировать нелинейные искажения и собственные шумы, вносимые усилительным устройством 4. Отметим, что полная компенсация указанных искажений и шумов возможна при допущении, что усилитель 7 в цепи балансной обратной связи не имеет собственных искажений и шумов.

Существенным недостатком известного способа является неустойчивость работы усилителей, реализующих данный способ. За пределами полосы пропускания усилительного устройства 4 или, что равнозначно, при отсутствии сигнала на его выходе (Pувых

= 0) усилитель 7 переходит в режим самовозбуждения.

Рассмотрим этот случай, приняв значение bPувых

= 0. В этом случае (см. фиг. 1) усилитель 7 охвачен кольцом положительной обратной связи через сумматор 2, разветвитель 3 и вычитатель 5, при этом, учитывая (8), коэффициент этой обратной связи равен "1". Такая схема принципиально неустойчива, так как при таком коэффициенте положительной обратной связи усилитель 7 самовозбуждается. Это серьезный недостаток известного способа, из-за которого, несмотря на принципиальную возможность (при идеальном усилителе 7) полного подавления нелинейных искажений и шумов, вносимых усилительным устройством 4, на практике этот способ почти не используется.

Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является устранение указанного недостатка известного способа при сохранении его положительных свойств, обеспечивающих подавление нелинейных искажений и собственных шумов усилительного устройства.

Сущность заявляемого способа заключается в том, что в известном способе, включающем формирование суммарного сигнала, состоящего из усиливаемого сигнала и сигнала балансной обратной связи, разделение упомянутого суммарного сигнала на две составляющие, одну из которых подают на вход усилительного устройства, а вторую, после суммирования с сигналом, противофазным усиливаемому сигналу и прямо пропорциональным сигналу на выходе усилительного устройства, дополнительно усиливают и используют в качестве упомянутого сигнала балансной обратной связи, согласно изобретению дополнительное усиление сигнала балансной обратной связи осуществляют путем предварительного разделения этого сигнала на две составляющие, одну из которых после усиления суммируют со второй.

Сущность заявляемого изобретения поясняется фиг. 2, на которой изображен пример реализации способа. В схеме, реализующей известный способ (см. фиг. 1), усилитель 7 выполнен в виде разделителя 8, усилителя 9 и сумматора 10. При этом вход разделителя 8 эквивалентен входу усилителя 7 и подключен к вычитателю 5, а выход сумматора 10 эквивалентен выходу усилителя 7 и подключен к одному из входов сумматора 2. Первый выход разветвителя 8 соединен с первым входом сумматора 10 через усилитель 9, а второй - со вторым входом сумматора 10 напрямую. То есть в соответствии с сущностью заявляемого изобретения усиление сигнала балансной обратной связи осуществляют путем предварительного разделения этого сигнала на две составляющие, одну из которых после усиления суммируют со второй.

С учетом внесенных изменений (см. фиг. 2) можно записать следующее уравнение для значения мощности P_OC сигнала балансной обратной связи

где k₃ и k₄ - коэффициенты деления по мощности разветвителя 8, причем
k₃ + k₄ = 1;
- коэффициент усиления по мощности усилителя 9 в предположении, что усилитель 9 является идеальным.

При этом будем учитывать, что для сохранения указанных положительных свойств известного способа - подавления нелинейных искажений и шумов, вносимых усилительным устройством 4, должно выполняться соотношение

или, учитывая (8),

Значение мощности выходного сигнала усилительного устройства 4 можно получить, используя (12), т. е. заменяя в выражении (7)

Покажем теперь, что в этом случае для усилителя 9 коэффициент положительной обратной связи меньше "1".

Так как усилитель 9 охвачен кольцом обратной связи через последовательно соединенные сумматор 2, разветвитель 3, вычитатель 5, разветвитель 8 и сумматор 10, то для этого достаточно показать, что

Решая уравнение (13) относительно , получаем

Очевидно, что если k₄ ≠ 0, а это так, то следовательно, вновь введенные признаки обеспечивают устойчивое осуществление способа - без самовозбуждения усилителя в цепи балансной обратной связи.

Дополнительно, недостатком как известного, так и описанного выше заявляемого способа является наличие нелинейных искажений и шумов, вносимых усилителем 9 цепи балансной обратной связи. При этом также нарушается соотношение (8), что приводит к неполному подавлению нелинейных искажений и собственных шумов усилителя 4.

В случае использования в качестве усилителя 9 реального усилителя, коэффициент усиления которого может быть выражен как где β - коэффициент, характеризующий нелинейные искажения и собственные шумы реального усилителя 9, выражение (14) принимает вид

Преобразуем выражение прибавив и отняв Тогда имеем:
Учитывая (13), получаем

Видно, что если β ---> 1, то получаем что соответствует ранее полученному выражению (10) при полном подавлении нелинейных искажений и собственных шумов усилительного элемента 4. Для выражения (16) степень подавления искажений и шумов в выходном сигнале определяется значением (β-1).

Для подавления нелинейных искажений и шумов, вносимых усилителем 9 в цепи балансной обратной связи, предлагается дополнительно формировать первый сигнал ошибки, прямо пропорциональный разности сигнала балансной обратной связи после его дополнительного усиления и сигнала балансной обратной связи до его дополнительного усиления, который вычитают из сигнала балансной обратной связи до его дополнительного усиления. Поскольку указанный первый сигнал ошибки будет пропорционален нелинейным искажениям и шумам, вносимым усилителем в цепи балансной обратной связи, то вычитание его из сигнала балансной связи до указанного усиления равносильно тому, что сигнал не содержит составляющих, зависящих от β .

Сущность данного развития заявляемого изобретения поясняется фиг. 3, на которой дополнительно к схеме, представленной на фиг. 2, показаны вычитатель 11, прямой и реверсивный входы которого подсоединены к выходу разветвителя 8, сигнал с которого поступает непосредственно на вход сумматора 10, и к выходу усилителя 9, соответственно, и делитель 12, вход которого подсоединен к выходу вычитателя 11, а выход - к дополнительному реверсивному входу вычитателя 5. Таким образом осуществляют указанное формирование первого сигнала ошибки и вычитание этого сигнала из сигнала балансной обратной связи до дополнительного усиления последнего.

Определим соотношения сигналов для схемы на фиг. 3.

Мощность сигнала на выходе вычитателя 5 равна

где P₍₊₎ - мощность сигнала на прямом входе вычитателя 5;
Pу(-)

- мощность сигнала на первом реверсивном входе вычитателя 5, поступающего с выхода делителя 6;
Pуос(-) - мощность сигнала на втором реверсивном входе вычитателя 5, поступающего с выхода делителя 12.

При этом значения величин, входящих в уравнение (17), следующие:
P₍₊₎= k₁P_Σ= k₁P_G+k₁P_ос; (18)

Мощность сигнала P_OC балансной обратной связи равна

Выберем для делителя 8 следующее соотношение коэффициентов деления:

Теперь, прибавив и отняв в правой части выражения (20) величину получаем

Мощность сигнала Pуос(-)

на выходе делителя 12 равна

где c - коэффициент деления делителя 12, или с учетом принятого соотношения (21)

Мощность сигнала Pу(-) на выходе делителя 6 равна

В итоге уравнение (17) преобразуется в вид

Производя последующие преобразования с учетом (22), получаем

Выберем еще два условия:
c = k₁; (26)
2k₁k₄ = 1. (27)
Тогда, учитывая условие (26), получаем

а учитывая условие (27), получаем

Решая (29) относительно Pувх, получаем

В итоге получаем значение мощности выходного сигнала усилительного устройства 4

из которого следует, что в выходном сигнале усилительного устройства 4 отсутствуют как искажения и собственные шумы, вносимые этим усилительным устройством 4, так и искажения и собственные шумы, вносимые усилителем 9.

Выражение (31), соответствующее случаю полного подавления искажений и собственных шумов усилительного устройства 4 и усилителя 9, получено при условиях (21), (26) и (27). Покажем, что при иных условиях также удается скомпенсировать указанные искажения и шумы, хотя и в меньшей степени.

Физический смысл соотношения (21) заключается в том, что при выбранных значениях k₃ и k₄ имеется такое значение при котором значение разностного сигнала на выходе вычитателя 11 равно нулю. Иными словами, при значении сигналы, поступающие на входы вычитателя 11, равны. Коэффициент усиления реального усилителя 9 отличается от коэффициента усиления идеального усилителя 9 на величину β, поэтому условие (21) не соблюдается. Однако, как было показано, при выполнении условий (26) и (27) выходной сигнал усилительного устройства 4 не зависит от β, то есть достигается полное подавление искажения и собственных шумов усилительного устройства 4 и усилителя 9 цепи балансной обратной связи.

Условие (26) означает, что при выполнении условия (27) в части суммарного сигнала P_Σ, образующей составляющую сигнала балансной обратной связи и равной P₍₊₎-Pу(-)

, отсутствуют составляющие, зависящие от β, что следует из выражения (25). Таким образом, обеспечивается полное подавление искажений и собственных шумов, вносимых усилителем 9 в выходном сигнале усилительного устройства 4.

При несоблюдении указанного условия (26), то есть при k₁ ≠ c, в указанной части суммарного сигнала P_Σ присутствуют составляющие, зависящие от β. Действительно, в этом случае уравнение (25) принимает вид

Подставляя в (32) значение P′_oc, полученное из уравнений (4) и (12), в итоге получаем значение мощности входного сигнала усилительного устройства 4

и, соответственно, значение мощности выходного сигнала усилительного устройства 4

из которого следует, что в выходном сигнале усилительного устройства 4 его собственные искажения и искажения, вносимые усилителем 9, подавляются не полностью.

Сравнивая выражения (16) и (34), можно видеть, что при невыполнении условия (26) искажения выходного сигнала усилительного устройства 4 при одинаковых значениях β для схемы на фиг. 3 меньше, чем для схемы на фиг. 2, так как (k₁ - c) < k₁.

Аналогично можно сказать об условии (27). Несоблюдение последнего условия означает, что в выражении (30) в числителе появляется слагаемое и оно приобретает вид

Таким образом, в составе выходного сигнала с усилительного устройства 4 появляются дополнительные составляющие, зависящие от α и β, величина которых зависит от значения разности (2k₁k₄ - 1). Таким образом, подавление искажений происходит, хотя и в меньшей степени.

На практике при осуществлении заявляемого способа в соответствии с фиг. 3 могут возникнуть проблемы, связанные с получением необходимой для компенсации нелинейных искажений усилителя 9 мощности первого сигнала ошибки на выходе вычитателя 12. В этом случае необходимо дополнительное усиление этого сигнала. Однако в этом случае в дополнительно усиленном первом сигнале ошибки неизбежно будут присутствовать нелинейные искажения и собственные шумы такого дополнительного усилителя, которые проявятся также и в выходном сигнале усилительного устройства 4. Для того чтобы обеспечить требуемое усиление первого сигнала ошибки, исключив при этом связанные с таким усилением нелинейные искажения и шумы, в заявляемом способе сформированный первый сигнал ошибки дополнительно разделяют на две составляющие, одну из которых после усиления суммируют со второй, при этом дополнительно формируют второй сигнал ошибки, прямо пропорциональный разности первого сигнала ошибки после его усиления и первого сигнала ошибки до его усиления, который суммируют с усиливаемой составляющей сигнала балансной обратной связи.

Сущность данного развития заявляемого изобретения поясняется фиг. 4, на которой дополнительно к схеме, представленной на фиг. 3, показаны разветвитель 13, подключенный к выходу вычитателя 11, усилитель 14, подключенный к первому выходу разветвителя 13, и сумматор 15, входы которого подключены к выходу усилителя 14 и второму выходу разветвителя 13, а выход подсоединен ко входу делителя 12. Таким образом осуществляют указанное усиление первого сигнала ошибки. Указанное формирование второго сигнала ошибки и суммирование его с усиливаемой составляющей сигнала балансной обратной связи осуществляется с помощью показанных на фиг. 4 вычитателя 16, прямой вход которого подключен к выходу усилителя 14, а инверсные - ко второму выходу разветвителя 13, а также сумматора 17, включенного между первым выходом разветвителя 8 и входом усилителя 9, при этом другой вход сумматора 17 подключен к выходу вычитателя 16.

В последнем случае с помощью усилителя 14 обеспечивается необходимое усиление первого разностного сигнала, при этом аналогично, как и для усилителя 9, схема исключает самовозбуждение усилителя 14. Благодаря указанным дополнительным признакам на выходе вычитателя 16 формируется второй сигнал ошибки, пропорциональный нелинейным искажениям и собственным шумам усилителя 14, который через сумматор 17 поступает на вход усилителя 9. Поскольку в сигнале, поступающем с выхода разветвителя 8 на вход сумматора 17, второй сигнал ошибки отсутствует, то на выходе вычитателя 11 формируется аддитивный сигнал ошибки, пропорциональный нелинейным искажениям и собственным шумам обоих усилителей 9 и 14. В соответствии с приведенными выше соотношениями для случая, когда формируют первый сигнал ошибки, в последнем случае происходит полная компенсация нелинейных искажений и шумов обоих усилителей 9 и 14 в выходном сигнале усилительного устройства 4.

Для рассмотренных схем (фиг. 3 и фиг. 4) в выходном сигнале усилительного устройства 4 также отсутствуют собственные шумы усилителя 9, поскольку эти шумы входят как аддитивная составляющая в сигнал ошибки, формирующийся на выходе вычитателя 11, и подавляются указанным образом вместе с нелинейными искажениями, вносимыми усилителем 9.

В целом сущность заявляемого изобретения поясняется графическими материалами, на которых изображено:
фиг. 1 - эквивалентная схема усиления электрических сигналов для известного способа-прототипа;
фиг. 2 - эквивалентная схема усиления электрических сигналов для заявляемого способа;
фиг. 3 - то же, для случая подавления нелинейных искажений и шумов, вносимых усилителем в цепи балансной обратной связи;
фиг. 4 - то же, для случая дополнительного усиления сигнала ошибки при подавлении нелинейных искажений и шумов, вносимых усилителем в цепи балансной обратной связи.

Заявляемый способ осуществляется в соответствии с ранее приведенными разъяснениями. Степень подавления нелинейных искажений, вносимых активными элементами, определяется подбором параметров c, k₁, k₂, k₃, k₄ в соответствии с приведенными выше примерами достижения заявляемым изобретением указанного результата.

При практической реализации способа используются известные радиотехнические элементы. Так для усиления сигналов в области радиочастот в качестве делителей 6 и 12, сумматоров 2, 10, 15 и 17, вычитателей 5, 11 и 16, разветвителей 3, 8 и 13 могут быть использованы, например, мостовые устройства на связанных линиях [3] или невзаимные элементы - циркуляторы [4]. В качестве усилительного устройства 4 и усилителей 9 и 14 используются обычные усилительные каскады на электронных лампах или транзисторах.

Источники информации
1. Цыкин Г.С. Усилительные устройства. - М.: Связь, 1971, с. 30-40.

2. Волгин Л.И. Аналоговые операционные преобразователи для измерительных приборов и систем. - М.: Энергоатомиздат, 1983, с. 94, табл. 10, схема 2 - прототип.

3. Устройства сложения и распределения мощностей высокочастотных колебаний / В.В. Зайцев, В.М. Катушкина, С.Е. Лондон и др. - Под редакцией Моделя З.И. - М.: Сов. радио, 1980, с. 82 - 87.

4. Харвей А.Ф. Техника сверхвысоких частот. - М.: Сов. радио, 1965, С. 457 и 458.

Относится к радиотехнике и может быть использован для создания усилителей с высоким коэффициентом усиления по мощности. Способ включает формирование суммарного сигнала, состоящего из усиливаемого сигнала (УС) и сигнала балансной обратной связи (БОС), разделение упомянутого суммарного сигнала на две составляющие, одну из которых подают на вход усилительного устройства (УУ) 4, а вторую, после суммирования с сигналом, противофазным УС и прямо пропорциональным сигналу на выходе УУ, дополнительно усиливают и используют в качестве упомянутого сигнала БОС. При этом дополнительное усиление сигнала БОС осуществляют путем предварительного разделения этого сигнала на две составляющие, одну из которых после усиления суммируют со второй. Дополнительно формируют первый сигнал ошибки, прямо пропорциональный разности сигнала БОС после его дополнительного усиления и сигнала БОС до его дополнительного усиления, который вычитают из сигнала БОС до его дополнительного усиления. Дополнительно, в случае недостаточного уровня первого сигнала ошибки последний дополнительно разделяют на две составляющие, одну из которых после усиления суммируют со второй, при этом дополнительно формируют второй сигнал ошибки, прямо пропорциональный разности первого сигнала ошибки после его усиления и первого сигнала ошибки до его усиления, который суммируют с усиливаемой составляющей сигнала БОС. Технический результат: снижение уровня нелинейных искажений и шумов, обеспечение устойчивой работы цепи БОС и компенсация вносимых усилителем БОС нелинейных искажений и пазов. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ усиления электрических сигналов, включающий формирование суммарного сигнала, состоящего из усиливаемого сигнала и сигнала балансной обратной связи, разделение упомянутого суммарного сигнала на две составляющие, одну из которых подают на вход усилительного устройства, а вторую, после суммирования с сигналом, противофазным усиливаемому сигналу и прямо пропорциональным сигналу на выходе усилительного устройства, дополнительно усиливают и используют в качестве упомянутого сигнала балансной обратной связи, причем дополнительное усиление сигнала балансной обратной связи осуществляют путем предварительного разделения этого сигнала на две составляющие, одну из которых после усиления суммируют со второй, отличающийся тем, что дополнительно формируют первый сигнал ошибки, прямо пропорциональный разности сигнала балансной обратной связи после его дополнительного усиления и сигнала балансной обратной связи до его дополнительного усиления, который вычитают из сигнала балансной обратной связи до его дополнительного усиления. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что сформированный первый сигнал ошибки дополнительно разделяют на две составляющие, одну из которых после усиления суммируют со второй, при этом дополнительно формируют второй сигнал ошибки, прямо пропорциональный разности первого сигнала ошибки после его усиления и первого сигнала ошибки до его усиления, который суммируют с усиливаемой составляющей сигнала балансной обратной связи.