АДАПТИВНОЕ УСИЛИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 2025 года по МПК H03F1/32 H03G3/20 

Изобретение относится к области радиотехники и, в частности, может быть использовано для создания усилителей с малыми нелинейными искажениями, в том числе в интегральном исполнении.

Известен достаточно эффективный метод снижения нелинейных искажений, возникающих в усилителях - управляемое ограничение динамического диапазона усиливаемых сигналов для их нахождения на относительно линейном участке передаточной характеристики усилителя. В качестве примера реализации указанного метода можно привести усилительное устройство [Пат. RU 2568039. Опубл. 10. 11. 2015. Бюл. № 31, фиг. 3], взятое за прототип и предусматривающее совместную обработку выходного и входного сигналов для оценки уровня внесенных нелинейных искажений, сравнение оценки с порогом и ослабление входного сигнала по результатам оценки возникших искажений. Усилительное устройство-прототип содержит управляемый аттенюатор, два последовательно соединенных усилительных блока (первый и второй), измеритель нелинейных искажений с полосовыми фильтрами на входах, компаратор двоичных кодов и блок управления, выход которого соединен с управляющим входом аттенюатора, сигнальный вход которого является входом усилительного устройства, выходом которого является выход второго усилительного блока, вход первого усилительного блока соединен с выходом аттенюатора, вход блока управления соединен с выходом компаратора, информационный вход которого соединен с выходом измерителя нелинейных искажений, первый и второй входы которого подключены к соответственно выходам первого и второго усилительного блоков.

Недостатком усилительного устройства является снижение уровня выходного сигнала для сохранения заданного коэффициента нелинейных искажений, что ограничивает возможности и области применения устройства. В частности, устройство не позволяет иметь относительно стабильный коэффициент усиления в широком диапазоне частот, где наблюдается зависимость уровня возникающих нелинейных искажений от частоты сигнала при неизменном уровне входного сигнала.

Технический результат, достигаемый при использовании настоящего изобретения, состоит в повышении стабильности коэффициента усиления сигнала в относительно широком диапазоне частот, а также в повышении надежности усилительного устройства.

Технический результат достигается тем, что в адаптивное усилительное устройство, содержащее управляемый аттенюатор и блок управления, первый выход которого соединен с управляющим входом аттенюатора, сигнальный вход которого подключен ко входу адаптивного усилительного устройства, согласно изобретению, введены N управляемых усилительных блоков (N≥2) с выходными последовательными RC-цепочками и измеритель уровня входного сигнала, вход которого объединен с сигнальным входом аттенюатора, к выходу которого подключены объединенные сигнальные входы N управляемых усилительных блоков, управляющие входы которых подключены к N соответствующим выходам блока управления из группы вторых выходов, вход которого соединен с выходом измерителя уровня входного сигнала, выходом адаптивного усилительного устройства являются объединенные через RC-цепочки выходы N усилительных блоков.

Кроме того для достижения технического результата в адаптивном усилительном устройстве, согласно изобретению, управляемый аттенюатор выполнен в виде устройства с цифровым управлением и аналоговыми входом и выходом.

Кроме того для достижения технического результата в адаптивном усилительном устройстве, согласно изобретению, измеритель уровня входного сигнала выполнен в виде аналого-цифрового измерительного устройства, с аналоговым входом и цифровым выходом, значение выходного кода которого пропорционально среднему значению уровня входного аналогового сигнала.

Кроме того для достижения технического результата в адаптивном усилительном устройстве, согласно изобретению, усилительные блоки выполнены в виде отключаемых устройств, управляемых логическими уровнями и переходящими в состояние высокого импеданса на выходе при их отключении.

Сущность изобретения поясняется графическим материалом. На фиг. 1 представлена функциональная схема адаптивного усилительного устройства. На фиг. 2 представлены спектрограммы иллюстрирующие работу устройства, а на фиг. 3 - функциональная схема одного из возможных вариантов построения управляемого аттенюатора и блока управления для применения в составе адаптивного усилительного устройства.

Функциональная схема по фиг. 1 содержит управляемый аттенюатор 1, группу 2 управляемых усилительных блоков с N выходными RC-цепочками, измеритель 3 уровня входного сигнала, блок 4 управления и нагрузку сопротивлением R_н. Сигнальный вход аттенюатора 1 объединен со входом измерителя 3 и подключен ко входу адаптивного усилительного устройства, управляющий вход аттенюатора 1 соединен с первым выходом блока 4 управления, к выходу аттенюатора 1 подключены объединенные сигнальные входы N управляемых усилительных блоков из группы 2, управляющие входы которых подключены к N соответствующим выходам блока 4 управления из группы вторых выходов, вход которого соединен с выходом измерителя 3 уровня входного сигнала, выходом адаптивного усилительного устройства являются объединенные через RC-цепочки выходы N усилительных блоков из группы 2.

На спектрограммах по фиг. 2 показаны линейчатый спектр S(ƒ) выходного сигнала, усиленного только в одном канале (вверху по рисунку) в полосе частот от 0 до 50 МГц и в той же полосе частот спектр выходного сигнала (внизу по рисунку), полученного на выходе адаптивного усилительного устройства в результате объединения двух усиленных сигналов с предварительным ослаблением в аттенюаторе исходного сигнала.

Функциональная схема по фиг. 3 содержит аттенюатор, состоящий из аналогового мультиплексора 5 и резисторов R1, R2, R3, а также блок управления состоящий из преобразователей 6, 7 кодов. Первый сигнальный вход D1 мультиплексора является входом аттенюатора, выходом которого является выход мультиплексора 5, адресный вход которого является управляющим входом аттенюатора, сигнальные входы D2, D3 которого подключены к двум средним точкам делителя напряжения, образованного последовательно соединенными резисторами R1, R2, R3, вход которого подключен ко входу аттенюатора. Входом блока управления являются объединенные многоразрядные входы преобразователей 6, 7, многоразрядный выход преобразователя 6 является первым выходом блока управления, а группа выходов E1 - EN является вторым выходом блока управления.

Идея, лежащая в основе функционирования заявляемого устройства (см. фиг. 1) и позволяющая снизить нелинейные искажения, заключается в параллельном усилении сигнала с одновременным снижением его уровня для сокращения занимаемого им рабочего участка передаточной характеристики, что, как правило, сопровождается уменьшением степени нелинейности занимаемого участка. После раздельного усиления в усилительных блоках группы 2 сигналы объединяют на общей нагрузке сопротивлением R_н для получения выходного сигнала с уменьшенными нелинейными искажениями. Для снижения уровня входного сигнала предусмотрен входной аттенюатор 1, который получает управляющий код по результатам оценки уровня входного сигнала в измерителе 3. Последний управляет аттенюатором 1 через блок 4, необходимый для преобразования информационного сигнала с выхода измерителя 3 в коды управления. В случае относительно низкого уровня входного сигнала ослабление в аттенюаторе 1 не происходит, сигнал проходит на входы усилительных блоков беспрепятственно, и для усиления используется только один блок 2-1, работа которого разрешается блоком 4 управления посредством установки разрешающего логического уровня на одном из его выходов, соединенном с управляющим входом усилительного блока 2-1. На аналогичных входах других усилительных блоков группы 2 устанавливаются запрещающие уровни. При повышении уровня входного сигнала до значения при котором в усилительном блоке 2-1 могут возникнуть недопустимые искажения, с выхода блока 4 подается команда на ослабление входного сигнала и одновременное включение других усилительных блоков, управляемых блоком 4. То есть осуществляется процесс адаптации под конкретный сигнал, с учетом возможных искажений в имеющихся усилительных блоках. Количество дополнительно вводимых в процесс усиления блоков из группы 2, определяется измеренным уровнем входного сигнала: чем выше уровень входного тем на большую величину ослабляется сигнал в аттенюаторе 1 и тем больше каналов участвуют в усилении сигнала (каждый канал образован одним усилительным блоком).

В идеальном случае, если, например, требуется усилить в m раз синусоидальный входной сигнал с амплитудой U_вх, то при наличии n идентичных каналов усиления, его ослабляют в k раз, получая канальный входной сигнал с амплитудой после чего ослабленный сигнал усиливают одновременно в n каналах в раз, получая на выходе каждого канала сигнал с амплитудой а после объединения п канальных сигналов путем суммирования выходной сигнал усилителя будет иметь амплитуду (в реальных устройствах по причине сложности реализации идеального суммирования будет получен сигнал с несколько меньшим уровнем).

Необходимо подчеркнуть, что ожидаемый результат снижения нелинейных искажений возможен при условии, что уменьшение амплитуды входного сигнала в k раз приводит к уменьшению амплитуды гармонических составляющих в k_i раз, причем k_i>k и k>1, (здесь i - номер гармоники, начиная со второй). Полагая, что первая гармоника имеет амплитуду U₁, а высшие - u_i„ проиллюстрируем отмеченное следующим неравенством:

В приведенной записи продукты нелинейных искажений показаны в виде сумм амплитуд гармоник, взятых с весовыми коэффициентами и, как несложно видеть, левая часть неравенства действительно оказывается меньше правой, если для любого i выполняется условие k_i>k Неравенство соблюдается и при общепринятой форме представления коэффициентов гармоник:

В правых частях неравенств показаны воображаемые результаты, которые могли бы быть получены, если бы с уменьшением амплитуды внешнего воздействия на нелинейный элемент амплитуды высших гармоник уменьшались также, как и первая гармоника, в k раз. Однако на практике, в большинстве случаев, с уменьшением уровня входного воздействия уровень появившихся гармоник понижается быстрее, чем уровень первой - основной -гармоники, что объясняется сокращением и, как следствие, «выпрямлением» рабочего участка передаточной характеристики усилителя. Причем уменьшение уровня гармоник может оказаться настолько существенным, что даже арифметическое сложение синфазных сигналов после параллельного усиления позволяет получить результат, при котором уровень основной гармоники на выходе будет увеличен непропорционально больше, чем суммарные уровни высших гармоник одного порядка.

Серия экспериментов, проведенных на операционных усилителях с различными схемами включения в весьма широком диапазоне частот (от 3 до 150 МГц), подтвердила правомерность вышеизложенного. Причем в экспериментах полностью исключались случаи больших нелинейных искажений, вызванных ограничениями выходных сигналов, так как в таких ситуациях результат очевиден, и ценность эксперимента невелика. В примере, показанном в верхней части фиг. 2, ясно видно, что спектр S(ƒ) усиленного в одном канале синусоидального сигнала с частотой ƒ₁=10 МГц для получения выходного сигнала с уровнем 10 дБм в результате нелинейного преобразования обогатился тремя дополнительными составляющими - гармониками с частотами ƒ₂=20 МГц, ƒ₃=30 МГц и ƒ₃ - 40 МГц, имеющими уровни соответственно -38,6 дБм, -48 дБм и -55 дБм. При этом ниже на фиг. 2 показан результат усиления того же исходного тестового сигнала, согласно принципу действия рассматриваемого устройства, одновременно в двух идентичных каналах (n=2), причем одним из каналов является канал, использовавшийся ранее для одноканального усиления. Здесь легко видеть снижение уровня гармоник: уменьшение уровня второй гармоники составило ΔS(ƒ₂)=-4,7 дБ, третьей - ΔS(ƒ3)=-3,4 дБ. Четвертая гармоника оказалась на уровне шумов. В частности, затухание нелинейности по второй гармонике ƒ₂ составило 53,3 дБ против 48,6 дБ, соответствующего случаю одноканального усиления. В эксперименте для параллельного усиления использовались два усилительных блока 2-1, 2-2, при этом уровень входного сигнала уменьшался при помощи пассивного делителя аттенюатора таким образом, чтобы на выходе двухканальной схемы на общей нагрузке сопротивлением R_н был получен уровень выходного сигнала, равный уровню сигнала в первом случае, то есть 10 дБм на частоте 10 МГц.

В показанном устройстве (см. фиг. 1) предполагается, что каналы идентичны, т.е коэффициенты усиления блоков группы 2 одинаковы, а также равны сопротивления резисторов R_вых-n и емкости конденсаторов C_вых-n (n=1, 2, 3… N). Конденсаторы С_вых-n необходимы для развязки выходов усилительных блоков по постоянному току, а резисторы R_вых выполняют роль согласующих сопротивлений, увеличивающих выходное сопротивление каналов.

В частном случае факт снижения гармонических искажений можно проиллюстрировать на примере передаточной характеристики, аппроксимируемой полиномом второй степени вида

ƒ(u)=ƒ(u₀)+a₁(u-u₀)+a₂ (u - u₀)²»

где а₁, а₂- коэффициенты полинома;

u₀ - точка покоя (напряжение смещения).

При входном воздействии вида u(t)=u₀+U₁ sin 2πƒ₁t на выходе усилительного устройства с вышепоказанной передаточной характеристикой после выделения интересующей нас переменной составляющей будет получено напряжение

При уменьшении амплитуды входного воздействия в k раз выходное напряжение будет описываться следующим выражением

из которого несложно видеть, что при снижении амплитуды первой гармоники в к раз, амплитуда второй гармоники уменьшается в k² раз.

При применении описываемого подхода на практике необходимо учитывать тот факт, что поскольку гармонические составляющие при параллельном усилении в идентичных каналах синфазны, то возможно не только обоснованное снижение их суммарного уровня по вышеописанным причинам, но и теоретически их повышение, что зависит от вида нелинейности передаточной характеристики и, разумеется, от амплитуды внешнего воздействия. Однако из результатов многочисленных экспериментов, при корректном выборе рабочего участка передаточной характеристики и уровня входного сигнала, при небольшом числе каналов (n≤3), не было замечено возрастания суммарного уровня гармоник вплоть до четвертой - то есть гармоник, относительно близких по частоте к основной и уровень которых целесообразно учитывать при общей оценке формы искаженного сигнала.

Касаясь реализации таких особенностей усилительных блоков, как внешнее управление логическими уровнями, отметим, что трудностей это вызывать не должно, поскольку в настоящее время промышленность выпускает в интегральном исполнении широкополосные усилители с возможностью отключения схемы от внешних сигнальных цепей и имеющие соответствующие разрешающие входы. Отметим, что усиление одного сигнала одновременно в нескольких отключаемых усилительных блоках позволяет сохранить выходной сигнал при выходе из строя одного и более канальных усилителей, в предположении, что работоспособным остается хотя бы один канал. Указанное позволяет повысить надежность усилительного устройства.

Пример реализации трехступенчатого управляемого аттенюатора показан на схеме по фиг. 3, из которой несложно видеть, что для ослабления сигнала используется пассивный делитель на резисторах, а в качестве коммутирующего устройства используется аналоговый мультиплексор 5, управляемый двоичным кодом по адресному входу. Блок управления, показанный на данной схеме, по сути представляет собой совокупность двух преобразователей кодов. Первый, преобразователь 6, служит для преобразования кода измеренного уровня сигнала в код управления аттенюатором, в частном случае, в адресный код мультиплексора 5. В простейшем случае зависимость значения выходного кода А от входного U может быть линейная с масштабирующим коэффициентом k, вида А=kU. Второй, преобразователь 7, необходим для формирования разрешающих уровней, управляющих усилительными блоками 2. Он преобразует код U в N-разрядный набор логических уровней E1 - EN таким образом, что с увеличением значения кода U увеличивается количество логических единиц n на выходах E1 - EN. Предполагается, что разрешающим уровнем является уровень логической единицы. В простейшем случае указанная связь может иметь вид n=cU+1, здесь с - постоянный коэффициент принимающий целые значения, также как и величина U, являющаяся целым числом из диапазона возможных значений, определяемых измерителем 3. Относительно измерителя уровня входного сигнала заметим, что функционально это аналого-цифровой преобразователь, на вход которого поступает напряжение пропорциональное, например, среднему значению положительных полуволн входного сигнала, полученному на выходе усредняющего устройства, подключенного в разрыв между входом измерителя и входом аналого-цифрового преобразователя.

Изобретение относится к области радиотехники и, в частности, может быть использовано для создания усилителей с малыми нелинейными искажениями, в том числе в интегральном исполнении. Техническим результатом изобретения является повышение стабильности коэффициента усиления сигнала в относительно широком диапазоне частот, а также повышение надежности усилительного устройства. Адаптивное усилительное устройство содержит группу усилительных блоков, управляемый аттенюатор, измеритель уровня входного сигнала и блок управления. Входной усиливаемый сигнал разделяется на несколько сигналов и далее параллельно усиливается с предварительным ослаблением, определяемым по результатам оценки уровня входного сигнала, с последующим объединением для получения выходного сигнала с уменьшенными нелинейными искажениями. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Адаптивное усилительное устройство, содержащее управляемый аттенюатор и блок управления, первый выход которого соединен с управляющим входом аттенюатора, сигнальный вход которого подключен ко входу адаптивного усилительного устройства, отличающееся тем, что в него введены N управляемых усилительных блоков (N≥2) с выходными последовательными RC-цепочкам и измеритель уровня входного сигнала, вход которого объединен с сигнальным входом аттенюатора, к выходу которого подключены объединенные сигнальные входы N управляемых усилительных блоков, управляющие входы которых подключены к N соответствующим выходам блока управления из группы вторых выходов, вход которого соединен с выходом измерителя уровня входного сигнала, выходом адаптивного усилительного устройства являются объединенные через RC-цепочки выходы N усилительных блоков.

2. Адаптивное усилительное устройство по п. 1, отличающееся тем, что управляемый аттенюатор выполнен в виде устройства с цифровым управлением и аналоговыми входом и выходом.

3. Адаптивное усилительное устройство по п. 1, отличающееся тем, что измеритель уровня входного сигнала выполнен в виде аналого-цифрового измерительного устройства, с аналоговым входом и цифровым выходом, значение выходного кода которого пропорционально среднему значению уровня входного аналогового сигнала.

4. Адаптивное усилительное устройство по п. 1, отличающееся тем, что усилительные блоки выполнены в виде отключаемых устройств, управляемых логическими уровнями и переходящих в состояние высокого импеданса на выходе при их отключении.