CC BY
173
УДК 621.375.026 А.А. Титов
Согласованные широкополосные усилительные каскады
Рассмотрены варианты построения согласованных широкополосных усилительных каскадов с использованием перекрестных обратных связей и схем сложения мощности, отдаваемой несколькими транзисторами. Приведены соотношения для расчета значений элементов обратных связей и схемы экспериментальных макетов усилителей.
Процесс создания широкополосных усилителей, применяемых при построении практически любых радиотехнических систем, связан обычно с трудоемкими расчетами на этапе проектирования и продолжительной подгонкой параметров на стадии макетирования. Этого в значительной степени удается избежать при использовании обратных связей, стабилизирующих параметры усилителя [1].
Усилители с перекрестными обратными связями
Одним из наиболее удачных схемных решений построения широкополосных усилителей с обратными связями является использование перекрестных обратных связей [2, 3].
Схема трехтранзисторного варианта усилителя с перекрестными обратными связями по переменному току приведена на рис. 1.
УТ2
¥Т\
Ег
Лэ
Яос У73 4
Дос
Лэ
Дос
Дэ
Лн
X Л_
6'вых
Рис. 1. Схема усилителя с перекрестными обратными связями по переменному току При условиях
^ = дн, ДАе = дI (1)
усилитель оказывается согласованным по входу и выходу с коэффициентом стоячей волны по напряжению (КСВН) не хуже 1,5 раза, а его коэффициент усиления может быть рассчитан по соотношению [2]
_ ^вых
21 -......
Ег/ 2
(Дос-Дз)
где п — количество каскадов усилителя.
Верхняя граничная частота /в усилителя, соответствующая уменьшению коэффициента усиления на 3 дБ, в случае введения глубоких обратных связей может быть рассчитана по эмпирической формуле [4, 5]
л
/ = / —— /в /т Е ,
-"ос
где — граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером используемых транзисторов.
Достоинством рассматриваемого схемного решения построения широкополосных усилителей является практически неизменное значение их верхней граничной частоты при увеличении числа каскадов, что объясняется комплексным характером обратной связи на высоких частотах.
В качестве примера на рис. 2 приведена принципиальная схема маломощного широкополосного усилителя, разработанного на основе использования перекрестных обратных связей [4].
В усилителе использованы транзисторы КТ3115А, работающие в стандартном режиме: ток в рабочей точке /к0 =5 мА; напряжение в рабочей точке £7кэо =5 В.
Технические характеристики усилителя:
- коэффициент усиления 21 дБ;
- полоса рабочих частот 0,01...2 ГГц;
- неравномерность амплитудно-частотной характеристики ±1,5 дБ;
- максимальное значение выходного напряжения не менее 0,1 В;
- сопротивление генератора и нагрузки 50 Ом.
Усилитель практически не требует настройки и обладает высокой повторяемостью параметров. При построении усилителя следует учитывать, что цепи общей обратной связи, состоящие из элементов С2, И5; С5, Д10; С8, Я15 должны быть по возможности короче. Это объясняется необходимостью устранения излишней фазовой задержки сигнала в этих цепях. В противном случае АЧХ усилителя в области верхних частот оказывается с подъёмом. При непомерном удлинении указанных цепей возможно самовозбуждение усилителя.
Выходные согласованные каскады со сложением токов
Эквивалентная схема выходного каскада со сложением токов двух транзисторов приведена на рис. 3 [6, 7].
Благодаря совместному использованию параллельной отрицательной обратной связи по напряжению и последовательной отрицательной обратной связи по току достигается стабилизация коэффициента усиления каскада, его входного и выходного сопротивления. При выполнении условий (1) схема оказывается согласованной по входу и выходу с КСВН не более 1,5 в рабочем диапазоне частот. Максимальные значения амплитуды выходного напряжения ивыхтах и мощности Раыхщах , отдаваемых каскадом в нагрузку в этом случае, составляют величины (рис. 3):
ТТ _ ^трт(-^ос ~ -^э) р _ ^ВЩЩ
выхт ~ (Д^+Д^ ' выхт — ^ >
где итртах и УТ2.
максимальное значение амплитуды сигнала, отдаваемого транзисторами УТ1
О'вых
Лэ
Рис. 3. Схема каскада со сложением токов двух транзисторов по переменному току
При заданном значении допустимой мощности Рк , рассеиваемой на коллекторе каждого из транзисторов УТ1 и УТ2, ток /ко и напряжение 11кэо в рабочих точках этих транзисторов для получения максимальной мощности в нагрузке следует рассчитывать по формулам
•'ко
икэо =
2 В^
(2)
где — коэффициенты использования транзистора по току и напряжению. Из (2) найдем
Сортах = •
Коэффициент усиления каскада со сложением токов (рис. 3) и его верхняя граничная частота, в случае введения глубокой обратной связи, могут быть рассчитаны по эмпирическим соотношениям [5]
(Д^-Д,) _ Л,
С>91 - —-Г~Г /в ~ /т
21 'в
В качестве примера на рис. 4 приведена принципиальная схема широкополосного усилителя, разработанного на основе совместного использования перекрестных обратных связей и каскада со сложением токов двух транзисторов [8].
Г
Я5
СП
Т
/?8
Юмк-р Я13
г., —1— 1,8 к »11
0,1 мк ™
-*■ + 12 В
С1 0,1 мк
Вход>—| [
С9 0,1 мк
-| |-с^Выход
1Т4 КТ996Б-2
Д2 -1- яз -1- ябП Ю -1- /?9 -1- /?12 Я14
560 20 560[ 20 560 20 560
Л15 Ы СЮ.
X л
20 у 2-4 у
Рис. 4. Усилитель с выходным каскадом со сложением токов
В усилителе использованы транзисторы КТ996Б-2. Токи и напряжения в рабочих точках всех транзисторов выбраны равными: /ко=0,1 А; икэо=10 В.
Технические характеристики усилителя:
- коэффициент усиления 19 дБ;
- полоса рабочих частот 10... 1000 МГц;
- неравномерность АЧХ ±1,5 дБ;
- максимальное значение выходного напряжения, не менее 6,3 В;
- сопротивление генератора и нагрузки 50 Ом.
Для равномерного сложения токов выходных транзисторов VT3 и VTA в диапазоне рабочих частот в цепь эмиттера транзистора VT4 включен конденсатор СЮ. Поэтому с ростом частоты растет КСВН усилителя по выходу, достигая четырех на верхней граничной частоте.
Выходные каскады со сложением напряжений
Эквивалентная схема двухтранзисторного варианта выходного каскада со сложением напряжений приведена на рис. 5.
Rr VT\ VT2
Элементы С1, Д1 и С2, Д2 являются элементами цепей местных обратных связей транзисторов УТ1, УТ2 и обеспечивают реализацию требуемого коэффициента усиления по напряжению каждым из транзисторов. Коэффициент усиления по току транзисторов УТ 1 и УТ2 близок к единице. Сигнальный ток, отдаваемый транзисторами, практически равен выходному току, протекающему в нагрузке. При выполнении условий [9]
ту. _ ^ВЫХ 1 _ 9 ту. _ ^ВЫХ 2 _ ^ тч
иХ ~ ~ут-- * > Лц2 - —-- - , (3)
°вх вых 1 Л
амплитуда выходного напряжения, отдаваемого каждым из транзисторов УТ 1 и УТ2, равна амплитуде входного сигнала £/вх. В результате напряжение на нагрузке Дн оказывается равным сумме указанных напряжений: */вых2 = ЗС/ВХ. Поэтому ощущаемое сопротивление нагрузки каждого из транзисторов и сопротивление, на которое работает генератор входного
сигнала, составляют величину, равную Д„/3. В литературе рассматриваемую схему часто называют каскадом со сложением напряжений [9], поскольку напряжение в нагрузке равно сумме напряжений, отдаваемых генератором и транзисторами УТ 1 и УТ2.
Для выполнения условий (3) элементы С1, Л1 и С2, Л2 выбираются равными [9]:
Ш = М<, Д2 = С1 = СК+-^—, С2 = 0,5СК н--——,
2 3 к 2 л/тШ к 2я/тЯ2
где (Зп — статический коэффициент передачи тока в схеме с общим эмиттером транзисторов УТ1 и УТ2; Ск — емкость коллекторного перехода транзисторов УТ 1 и УТ2; — граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером используемых транзисторов.
Верхняя граничная частота каскада со сложением напряжений, соответствующая уменьшению коэффициента усиления на 3 дБ, лежит в пределах 0,5...0,6 £ [9].
При выполнении условий (3) и заданном значении допустимой мощности РК Д , рассеиваемой на коллекторе каждого из транзисторов УТ 1 и УТ2, ток /ко и напряжение £/кэо в рабочих точках этих транзисторов могут быть рассчитаны по формулам
• д ' ^
и.
где N — 3 при использовании обоих транзисторов УТ1, УТ2 и N = 2, если транзистор УТ2 отсутствует в схеме.
Максимальные значения амплитуды выходного напряжения и мощности, отдаваемой в нагрузку каскадом со сложением напряжений (см. рис. 5), в этом случае составляют величины:
вых шах
В качестве примера на рис. 6 приведена принципиальная схема широкополосного усилителя, выходной каскад которого реализован по схеме со сложением напряжений.
«^Выход
Рис. 6. Усилитель с выходным каскадом со сложением напряжений
Рассматриваемый усилитель является модификацией схемных решений усилителей, описанных в [10], прост в изготовлении и настройке и позволяет осуществлять управление его работой с помощью компьютера, благодаря подаче управляющих синхроимпульсов положительной полярности на вход 2. На рис. 7 приведена фотография внешнего вида усилителя, позволяющая судить об особенностях его конструктивной реализации.
Рис. 7. Фотография внешнего вида усилителя
Технические характеристики усилителя:
- полоса рабочих частот 25... 1000 МГц;
- максимальный уровень выходной мощности 2,2...2,8 Вт;
- коэффициент усиления 39 дБ;
- неравномерность амплитудно-частотной характеристики ±1,5 дБ;
- сопротивление генератора и нагрузки 50 Ом;
- потребляемый ток 1,44 А;
- напряжение питания +15...30 В;
- габаритные размеры 105x65x30 мм;
- время установления работоспособности усилителя с момента прихода управляющего синхроимпульса не более 30 мкс.
Таким образом, рассматриваемые схемные решения построения усилительных каскадов с использованием обратных связей просты в изготовлении и настройке, обладают высокими техническими характеристиками и могут быть рекомендованы для использования в массовом производстве.
Литература
1. Ежков Ю.А. Справочник по схемотехнике усилителей / Ю.А. Ежков. - 2-е изд. -М. : РадиоСофт, 2002. - 272 с.
2. Титов A.A. Упрощенный расчет широкополосного усилителя / A.A. Титов // Радиотехника. - 1979. - № 6. - С. 88-90.
3. Сверхширокополосные усилители на биполярных транзисторах / Б.И. Авдоченко [и др.] // Техника средств связи. Сер. Радиоизмерительная техника. - 1985. - Вып. 3. -С. 57-60.
4. Титов A.A. Широкополосные усилители с перекрестными обратными связями / A.A. Титов // Схемотехника. - 2005. - № 5. - С. 27-28.
5. Титов A.A. Транзисторные усилители мощности MB и ДМВ / A.A. Титов. - М. : СОЛОН-ПРЕСС, 2006. - 328 с.
6. Якушевич Г.Н. Широкополосный каскад со сложением выходных токов транзисторов / Г.Н. Якушевич, И.А. Мозгалев // Радиоэлектронные устройства СВЧ / под ред. A.A. Кузьмина. - Томск : Изд-во Том. ун-та, 1992. - С. 118-127.
7. Согласованный широкополосный усилитель / Ф.Г. Абрамов [и др.]// Приборы и техника эксперимента. - 1984. - № 2. - С. 111-112.
8. Патент на полезную модель 35491 РФ, МПК Н 03 F 3/189. Широкополосный усилитель / A.A. Титов, В.Н. Ильюшенко (РФ). - № 2 003 100 142/20; заявл. 04.01.2003; опубл. 10.01.2004. Бюл. № 1. - 2 с.
9. Бабак Л.И. Анализ широкополосного усилителя по схеме со сложением напряжений / Л.И. Бабак // Наносекундные и субнаносекундные усилители / под ред. И.А. Суслова. -Томск : Изд-во Том. ун-та, 1976. - С. 123-133.
10. Сверхширокополосные линейные усилители мощности / Д.Д. Алексеевский [и др.] / Приборы и техника эксперимента. - 1991. - № 2. - С. 109-111.
Титов Александр Анатольевич
Д-р техн. наук, профессор кафедры радиоэлектроники и защиты информации ТУСУРа
Тел.: (3822) 413-365
Эл. почта: titov_aa@rk.tusur.ru
А.А. Titov
The coordinated broadband intensifying cascades
Variants of construction of the coordinated broadband intensifying cascades with use of cross feedback and schemes of addition of the capacity given by several transistors are considered. Parities for calculation of values of elements of feedback and schemes of experimental breadboard models of amplifiers are resulted.
