摘 要： 程控寬帶射頻放大器是基于同步脈沖轉(zhuǎn)移原理的有線電視機(jī)頂盒的最重要的電路之一。介紹了一種程控射頻寬帶射頻電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法。該電路設(shè)計(jì)巧妙，原理簡(jiǎn)單，生產(chǎn)、調(diào)試與維修都非常方便。實(shí)踐證明該電路工作良好，性能優(yōu)良。
關(guān)鍵詞： 射頻；寬帶；放大器；程控增益
有線電視加解擾系統(tǒng)是用來解決電視臺(tái)經(jīng)營(yíng)過程中偷拉私接、不交費(fèi)、多臺(tái)電視1臺(tái)收費(fèi)等收費(fèi)問題及開辦增值節(jié)目收費(fèi)問題的一種技術(shù)手段。它由加擾設(shè)備、解擾設(shè)備和管理系統(tǒng)三部分組成。
目前國(guó)內(nèi)外采用的電視加密系統(tǒng)有若干種，其中最常用的方法是脈沖同步轉(zhuǎn)移法，其解擾器的主要任務(wù)是按照加擾密碼恢復(fù)被加擾器壓縮的同步脈沖信號(hào)。解擾器的核心部件是射頻電路的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)有：
(1)輸入、輸出反射系數(shù)滿足有線電視網(wǎng)接入指標(biāo)要求。
(2)對(duì)各頻道射頻信號(hào)的放大倍數(shù)一致，即帶內(nèi)平坦度好。
(3)衰減量盡可能恒定(難點(diǎn))。
(4)產(chǎn)品一致性好，成本低，調(diào)整方便。
本文介紹一種用于解擾器的程控寬帶射頻放大器的設(shè)計(jì)方法。
1 基本原理
本程控寬帶放大器實(shí)際上就是一種全頻道寬帶放大器，頻帶范圍為47 MHz～900 MHz。在程控電路的控制下，增益可在N dB和(N+Δ) dB 2種狀態(tài)下變化。當(dāng)控制信號(hào)為低電平時(shí)，增益為(N+Δ) dB；當(dāng)控制信號(hào)為高電平時(shí)，增益為N dB。設(shè)計(jì)的難點(diǎn)是帶內(nèi)平坦度和衰減量指標(biāo)。放大器的原理框圖如圖1所示。
阻抗匹配與高通濾波器的作用是使放大器的輸入阻抗與前端電路的輸出阻抗相匹配，減小信號(hào)的反射，同時(shí)阻止47 MHz以下頻率的信號(hào)通過。負(fù)反饋放大器的功能是在確保帶內(nèi)平坦度的前提下獲得一定帶內(nèi)增益。共集放大器的主要功能是隔離，并獲得一定的功率增益。衰減與控制電路的功能是提供指定衰減并確保衰減后放大器的帶內(nèi)平坦度。輸出與阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的作用是阻抗匹配，減小信號(hào)的反射。
2 關(guān)鍵電路設(shè)計(jì)
2.1 全頻道寬帶放大器的設(shè)計(jì)
當(dāng)基于脈沖同步轉(zhuǎn)移法的解擾器接收到被衰減的同步信號(hào)時(shí)，全頻道寬帶放大器處于高增益狀態(tài)。為了提高帶內(nèi)平坦度，在電路結(jié)構(gòu)上采取措施的理論依據(jù)是負(fù)反饋[1]。根據(jù)三極管放大電路的基礎(chǔ)理論可知，引入負(fù)反饋對(duì)放大電路具有擴(kuò)展頻帶的作用，付出的代價(jià)是降低增益。但在本設(shè)計(jì)中，簡(jiǎn)單的負(fù)反饋電路已無法滿足性能指標(biāo)要求，而必須進(jìn)行改進(jìn)。設(shè)計(jì)電路的基本思想[2]是：當(dāng)輸入信號(hào)的頻率較低時(shí)，負(fù)反饋較強(qiáng)；隨著輸入信號(hào)頻率的提高，負(fù)反饋逐漸減弱。從而保證在整個(gè)電視頻段內(nèi)的平坦度。
圖2為利用電壓串聯(lián)負(fù)反饋原理改善放大器帶內(nèi)平坦度的部分電路圖。其中放大管選擇低噪聲管Q3356；Ro1、Co1為去耦電路；R11b、R12b、R11e為直流偏置電路；Lc為高頻扼流圈；R11e、R12e、C11e、C12e為負(fù)反饋電路，主要用于擴(kuò)展頻帶、改善帶內(nèi)平坦度。
由放大電路的基本理論[3]可知，加到三極管b、e結(jié)之間的信號(hào)凈輸入電壓為：
式中，re為等效交流負(fù)反饋電阻，rbe為基極到發(fā)射極之間的等效電阻，vs為放大器的輸入信號(hào)。
當(dāng)輸入信號(hào)頻率較低時(shí)，Ce1、Ce2的容抗較大，起交流負(fù)反饋?zhàn)饔玫陌l(fā)射極等效阻抗較大，使得加到三極管b、e結(jié)之間信號(hào)的凈輸入電壓較小，放大器的放大倍數(shù)也較??；隨著輸入信號(hào)頻率的提高，等效電阻變小，負(fù)反饋減弱，凈輸入電壓變大，放大器的增益提高。設(shè)計(jì)本電路的關(guān)鍵是R11e、R12e、C11e、C12e的取值，只要選值適當(dāng)，就可以得到比較理想的直通帶內(nèi)平坦度和較大增益。
為了減小控制電路介入與否和負(fù)載電路對(duì)高頻板指標(biāo)的影響，在控制電路接入點(diǎn)前后需各增加一級(jí)射隨器。
2.2 衰減控制電路設(shè)計(jì)
高頻電路帶內(nèi)衰減量恒定是一個(gè)非常關(guān)鍵而難以實(shí)現(xiàn)的指標(biāo)。作者根據(jù)多年從事高頻電子線路教學(xué)與科研工作的經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，設(shè)計(jì)出了一種比較理想的電路，其原理電路如圖3所示。該電路雖然簡(jiǎn)單，卻非常巧妙。由圖可見，和其他常見電路相比，本電路的關(guān)鍵點(diǎn)就是增加了RT1、CT1電路。
高頻板上的控制電路仍然采用是三極管開關(guān)電路，其中，Q2為共集電極放大器的放大管，Q3為控制電路的開關(guān)管，控制信號(hào)加在Q3的基極。根據(jù)高頻小信號(hào)晶體管放大器的基本理論，共集電極放大器的增益為：
式中，|yfc|為管子的正向傳輸導(dǎo)納，goc為管子輸入交流短路時(shí)的輸出導(dǎo)納，gL為放大器的總等效電導(dǎo)。當(dāng)控制端加TTL高電平時(shí)，晶體管Q2飽和導(dǎo)通，gL為合適值，放大器工作于低增益狀態(tài)；當(dāng)控制端加TTL低電平時(shí)，晶體管Q2截止，衰減控制電路不工作，gL減小，放大器工作于高增益狀態(tài)。
由于控制管輸出電容Cce的存在，當(dāng)頻率升高時(shí)，ωCce增加，等效電導(dǎo)gL增加，使得放大器的增益在高頻段迅速下降。
在衰減控制電路中增加RT1、CT1電路后，隨著頻率的提高，并聯(lián)電路的等效導(dǎo)納減小，補(bǔ)償Cce的不利影響，從而保證了低增益條件下的帶內(nèi)平坦度。
除上述關(guān)鍵電路設(shè)計(jì)外，為保證反射指標(biāo)，還要設(shè)計(jì)良好的輸入輸出匹配電路，此處不再累述。
2.3 印制電路板設(shè)計(jì)
印刷電路板設(shè)計(jì)是高頻電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)得好壞將直接影響最終產(chǎn)品的關(guān)鍵性能指標(biāo)。在設(shè)計(jì)本印刷電路板時(shí)，除遵循引述電路板設(shè)計(jì)的一般規(guī)則外，還要特別注意各元器件的放置位置、接地、頂層大面積接地與底層大面積接地的互通等問題。作者設(shè)計(jì)的最終印制電路板頂層圖如圖4所示，板上的過孔即是為了良好接地，避免因使用大面積接地引起的分布電容對(duì)放大電路性能的影響。
3 電路的仿真、調(diào)試與測(cè)試
為了降低產(chǎn)品成本，電路全部采取分立元件。調(diào)試過程中，主要是調(diào)整關(guān)鍵元器件的數(shù)值。這些元件包括R11e、R12e、C11e、C12e、Re2、Re3、CT1和RT1。為了提高產(chǎn)品的一致性，并縮短產(chǎn)品調(diào)試時(shí)間，最終產(chǎn)品全部采用固定元件。
電路的Microwave仿真結(jié)果如圖5所示，其中圖5(a)為高增益狀態(tài)，圖5(b)為低增益狀態(tài)。產(chǎn)品實(shí)際測(cè)試結(jié)果和仿真結(jié)果近似，增益略低。
本電路已經(jīng)大量應(yīng)用于實(shí)際產(chǎn)品中，經(jīng)過幾年的實(shí)踐表明，該產(chǎn)品的生產(chǎn)、調(diào)試、安裝、維修都非常方便，可靠性高，而且成本非常低，電路的各項(xiàng)性能指標(biāo)完全能滿足實(shí)際需要。
參考文獻(xiàn)
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[2] 彭明全.有線電視技術(shù)教程.北京：電子工業(yè)出版社，2003.
[3] 楊清學(xué).有線電視技術(shù).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.