Материал: Справочное пособие по высокочастотной схемотехнике (часть 1)

Структуры с отрицательной обратной связью следует рассматривать с учетом спе­цифики их применения. Так, если необходимо обеспечить оптимальный динамический диапазон и одновременно высокую чувствительность, то в цепи обратной связи следует использовать нешумящие реактивные элементы (Х-обратная связь). Если же требуется большой динамический диапазон, то можно использовать простые схемы с активными омическими сопротивлениями в качестве элементов отрицательной обратной связи (R-образная связь).

Критериями для выбора транзисторов кроме предельного тока и допустимой мощности рассеяния являются прежде всего величина f_T и динамический коэффициент усиления тока в схеме с общим эмиттером (ОЭ) Р₀ (измеряется на частоте 1 кГц). Возможное значение предельной рабочей частоты для этого усилителя можно при­ближенно определить по формуле 10-(f_T/P₀), а частотно-зависимый коэффициент усиления тока p_f можно аппроксимировать с достаточной для практики точностью функцией f_T/f, т. е. 0_f < Р₀; следует отметить, что допуски на значения (3₀ достигают — 50/+ 500% от приведенных в справочниках значений (как правило, 50-80). В последующих расчетах можно рекомендовать применять при коллекторных токах

Рис. 1.69. Основная схема усилителя типа А с реактивной Х-отрицательной обратной связью и формулы для его расчета.

1_С < 60 мА хорошо зарекомендовавшие себя транзисторы типа BFT 66, BFR 96(8), MRF 904, MRF 965 или им подобные.

В дальнейшем будут рассмотрены три сходные, но более или менее отличающиеся друг от друга схемы усилителей; по режиму работы для лучшего различия мы обозна­чим их как схемы типа А, В или С¹⁽.

Для каждого из типов усилителей будут рассмотрены три подтипа, соответствую­щие значениям коллекторных токов 14, 33 и 55 мА. Из перечисленных выше транзисто­ров для усилителей с коллекторным током 14 мА наиболее подходят BFT 66 и MRF 904, но могут использоваться и BFR 96(8) и MRF 965; эти транзисторы обладают наилучшими шумовыми свойствами для транзисторов данной мощности.

Рассмотрим усилитель типа А. Основная схема этого усилителя с цепью отрица­тельной обратной связи типа X и соотношения, используемые при ее проектировании, приведены на рис. 1.69. Мы конкретизируем параметры усилителя, требуемые для соответствующих условий применения, В качестве основных критериев следует указать входную интермодуляционную точку 3-го порядка IP_i3, входную точку компрессии²⁾ KPj, коэффициент усиления мощности G ; коэффициент шума F, а иногда коэф­фициент обратной передачи сигнала А_х. Затем на номограммах, представленных на рис. 1.70-1.72, мы отыскиваем рассчитанные или желаемые сочетания параметров в зависимости от 1_С. При этом мы располагаем следующими диапазонами значений-для JPj^ + 116-39.ЬдБм, для КР; - 3-+ 10 дБм, для G_p 4,5-9,5 дБ и для F 1,7-3,6 дБ, для А_х имеем А_х = G_pr — G_p, где G_pr представляет собой коэффициент передачи мощности. И наконец, следует записать соответствующие значения коллекторного тока 1_С и по­лученные значения коэффициентов трансформации nu для трансформаторов Ш (толь­ко при Wj ф W₂) и 02.

Все три подтипа общей схемы как с трансформатором t)l, так и без него пред­ставлены в виде полных принципиальных схем на рис. 1.73.

В табл. 1.16 приведены зависящие от тока 1_С значения R1-R4 и указаны номиналы элементов для двух диапазонов частот 1-50 МГц и 30-200 МГц.

Общие замечания о частотно-зависимых элементах: реактивное сопротивление ем­кости С1 должно составлять менее 10 Ом, емкости С2- менее 1 Ом, а дросселя Hfd-более 500 Ом; эти значения относятся к низшей рабочей частоте. На рис. 1.74 представлена схема расположения обмоток на тороидальном сердечнике трансформа­тора U2 (обмотки следует выполнять бифилярно/трифилярно из скрученных проводов).

Рис. 1.70. Семейство характеристик усилителя типа А при коллекторном токе 1_С = 14 мА.

Рис. 1.71. Семейство характеристик усилителя типа А при коллекторном токе I,. = 33 мА.

Трансформатор 01 выполняют в соответствии с рис. 1.2 или в виде трансформатора на линии согласно рис. 1.3.

Теперь скажем несколько слов об усилителях типа В. Основная схема усилителя с цепью отрицательной обратной связи (Х-тип) и используемые в процессе проектирова­ния формулы приведены на рис. 1.75. В данном случае также необходимо конкретизи­ровать желательные параметры усилителя. Затем мы определяем соответствующий набор параметров в зависимости от величины коллекторного тока 1_С, руководствуясь

Рис. 1.72. Семейство характеристик усилителя типа А при коллекторном токе 1_С = 55 мА.

номограммами на рис. 1.76-1.78. Диапазон возможных значений параметров будет составлять: для IP_i3 + 121-461 дБм, для КР; - 7-+ 12 дБм, для коэффициента усиле­ния напряжения О_и 2-12 дБ, для F 2,2-4,0 дБ, величина А_х имеет относительно большое значение и поэтому далее не рассматривается.

Все три подтипа данной схемы можно выполнить в виде, изображенном на рис. 1.79. В табл. 1.17 приведены зависящие от тока 1_С значения R1-R4, параметры обмотки W₃ трансформатора U и указаны номиналы элементов для двух диапазонов частот. Реактивные сопротивления элементов Cl, C2 и Hfd на низшей рабочей частоте должны иметь значения < 10 Ом, s£ 1 Ом, ^ 500 Ом соответственно. На рис. 1.80 представлена схема расположения обмоток на тороидальном сердечнике трансформа­тора U; намотка осуществляется скрученными проводами.

Следует отметить, что входное сопротивление (импеданс) схемы типа В является относительно высоким и составляет более 1 кОм. Самый простой способ получить

Рис. 1.73. Полные принципиальные схемы двух усилителей типа А с различными входными цепями.

Таблица 1.16. Номиналы резисторов R1-R4 для схемы, приведенной на рис. 1.73, при различных значениях тока 1_С и пример номиналов реактивных элементов, соответствующих двум рабочим диапазонам частот (G см. на рис. 1.70-1.72)

Рис. 1.74. Схема и расположения обмоток на тороидальном сердечнике для трансформатора U2, приведенного на рис. 1.73.

Рис. 1.75. Основная схема усилителя типа В с реактивной Х-отрицательной обратной связью и формулы для его расчета.

Рис. 1.76. Семейство характеристик усилителя типа В при коллекторном токе 1_С = 14 мА.

Рис. 1.77. Семейство характеристик усилителя типа В при коллекторном токе 1_С = 33 мА.

Рис. 1.78. Семейство характеристик усилителя типа В при коллекторном токе 1_С = 55 мА.

меньшее значение (например, 50 Ом)-это заменить дроссель Hfd обычным резистором R_Hfd с соответствующим номиналом. Правда, при этом, естественно, увеличивается коэффициент шума, а в наиболее желательном случае равенства R_Hfd и внутреннего сопротивления генератора R_G происходит согласование по мощности, тогда как ди­намический диапазон остается практически неизменным. Если предположить, что R_G = R_Hfd = Z₀ = Z_L (см. рис. 1.75), то мы получим одинаковые значения G_v и G_p, выраженные в децибелах (при условии согласования усилителя по входу и выходу).

Рассмотрим теперь усилитель типа С. Основная схема данной разновидности усили­теля с отрицательной обратной связью (R-типа) изображена на рис. 1.81. Вначале мы

Рис. 1.79. Полная принципиальная схема усилителя типа В.

Таблица 1.17. Номиналы резисторов Rl -R4 и данные обмотки W₃ трансформатора U при различных значениях тока 1_С для схемы, приведенной на рис. 1.79, и пример номиналов реактивных элементов, соответствующих двум рабочим диапазонам частот (G_u см. на рис. 1.76-1,78)

Рис. 1.80. Схема и расположение обмоток на тороидальном сердечнике для трансформатора U, приведенного на рис. 1.79.

Рис. 1.81. Основная схема усилителя типа С с резистивной R-обратной связью и формулы для его расчета.

Рис. 1.82. Семейство характеристик усилителя типа С для 1_С = 14 мА.

Рис. 1.83. Семейство характеристик усилителя типа С для 1_С = 33 мА.

Рис. 1.84. Семейство характеристик усилителя типа С для 1_С = 55 мА.

должны конкретизировать желательные параметры усилителя. После этого мы опреде­ляем соответствующий набор параметров в зависимости от величины коллекторного тока 1_С, исходя из номограмм 1.82-1.84. Для данной разновидности схемы возможны следующие диапазоны параметров: для IP_i3 — 5-+ 17 дБм, для КР, — 14-+ 10 дБм, для G_p 9-22 дБ и для F 3-7 дБ. Наконец мы записываем найденное значение 1_С и соответствующие значения R, и R_e.

На рис. 1.85 изображена принципиальная схема, справедливая для любого из трех

Рис. 1.85. Полная принципиальная схема усилителя типа С.

Таблица 1.18. Номиналы резисторов R_f/ , R_e/ , R1 и R2 при различных значениях тока 1_С для схемы, приведенной на рис. 1.85, и пример номиналов реактивных элементов, соответствующих двум рабочим диапазонам частот (G см. на рис. 1.82-1.84)

Рис. 1.86. Зависимости величины входного и выходного сопротивлений, характерные для усилителя типа С, от сопротивлений R_f и R_e.

подтипов разновидности С. В табл. 1.18 приведены конкретные значения элементов схемы R_f/F, R_e/E, R1 и R2 в зависимости от величины тока 1_С, а также указаны номиналы реактивных элементов для двух диапазонов частот. Реактивные сопротивления элементов Cl, C2 и Hfd на низшей из рабочих частот должны составлять < 10 Ом, 4 1 Ом и

Рис. 1.87. Основная схема усилителя типа D на полевом транзисторе с N-каналом и формулы для его расчета. ""——'

^ 500 Ом соответственно. Трансформатор выполняется в виде трансформатора на линии согласно рис. 1.16. На рис. 1.86 изображены типовые зависимости Z_; и Z₀ от R_f и R_c при Zj / Z₀ Ф 50 Ом, что является практически незначительным ограничением.

Наконец, мы обсудим реализацию усилителя на основе N-канального полевого транзистора с p-n-переходом, включенного по схеме с общим затвором. Эту разно­видность усилителя обозначим как тип D. В противоположность трем ранее рассмот­ренным типам усилителей усилитель этого типа можно использовать без обратной связи, и поэтому априори он отличается высоким значением коэффициента обратной передачи сигнала (высокое А_х).

При выборе транзистора необходимо принимать во внимание кроме максимально допустимого тока и допустимой мощности рассеяния, во-первых, крутизну прямой передачи у₂₁, предельную частоту крутизны f_y21 (или y_21f = [1/^/2]-у₂₁), коэффициент шума₍Р и, во-вторых, ток стока I_D. Для использования в 50-омном устройстве в диапазоне частот до 500 МГц можно-рекомендовать следующие типы транзисторов: 2N 4856 A, BF 246 А, Р 8002 и U 310 при токах I_D = 25 мА (ориентировочное значение и сильный разброс параметров).

Основная схема усилителя типа D и используемые при расчетах формулы при­ведены на рис. 1.87.

Вначале следует конкретизировать желаемые параметры усилителя. Далее мы оп­ределяем соответствующий набор параметров для различных значений U_D, исходя из номограмм 1.88 и 1.89. Диапазон возможных значений параметров будет составлять для IP_i3 0-+ 18 дБм, для KPj — 10-+ 8 дБм, для G_p 1-16 дБ и для F 1,2 дБ. Опре­деленные по номограммам значения Wj:W₂ и R_b следует записать.

На рис. 1.90 изображена принципиальная схема, справедливая для обоих подтипов усилителя. С точки зрения реализации конструкции трансформатора U следует ориен­тироваться на данные и рекомендации, изложенные в разд. 1.1; если позволяет значение Zjj, то следует использовать трансформатор на линии. Реактивные сопротивления элементов Cl, C2 и Hfd на самой низкой частоте рабочего диапазона должны состав­лять < 10 Ом, < 1 Ом и ^ 500 Ом соответственно.

Если отношение Wj: W₂ вообще составляет | > 12| :4 или | > 16| :4, то использование апериодичных Zfj-цепей всегда приводит к неудовлетворительным результатам. С учетом частотных свойств усилителя предпочтительно применять в цепи стока тран­зистора П-образную Zjj-структуру, как это показано на рис. 1.91 (см. табл. 1.19). В таблице приведены также примеры конкретных значений zq, необходимых при проектировании; промежуточные значения можно получить путем интерполяции с достаточной для практики точностью.

Рис. 1.88. Семейство характеристик усилителя типа D при U_D = 13,6 В и у₂₁ « 20 мСим.

Рис. 1.89. Семейство характеристик усилителя типа D при U_D = 20 В и у₂₁ « 20 мСим.

Рис. 1.90. Полная принципиальная схема усили­теля типа D.

Для описанных выше четырех типов усилителей следует привести следующие за­мечания, справедливые в любом случае.

Тип Л.^Эти структуры склонны к самовозбуждению при рассогласованиях (при значениях КСВ (s) > 3). Частота колебаний при самовозбуждении, как правило, рас­положена выше рабочего спектра частот; возможно двухчастотное самовозбуждение. В этом случае устранению самовозбуждения может способствовать ферритовое колечко, одетое на коллекторный вывод транзистора. При частотно-избирательном включении усилителя мы должны со всей тщательностью уменьшать взаимную связь между выходом и входом усилителя.