Схемы высокочастотных усилителей с полосой до 200 МГц

Широкополосные и квазирезонансные УВЧ для радиосвязи и прочих радиотехнических устройств

Высокочастотные усилители (УВЧ) широко используются в самых разнообразных устройствах, включая: оборудование радиосвязи, цифровые системы передачи данных, установки проведения радиочастотных измерений и многое-многое другое.

Предлагаемые усилители выполнены на биполярных транзисторах и отличаются широкой полосой усиления, высоким значением коэффициента усиления, высокой температурной стабильностью, относительно малой потребляемой мощностью и широким диапазоном питающих напряжений (1,5...15 В).
Авторами данных разработок являются к. т. н. доцент Уточкин Г. В. и к. т. н. Розов А. В. (ООО "Технический центр ЖАиС"). Приведём основные выдержки из их статьи под названием «Универсальный экономичный усилитель».

Широкополосный усилитель

Принципиальная схема широкополосного усилителя приведена на Рис.1.

Рис.1 Схема широкополосного УВЧ

Все три транзистора в рассматриваемом усилителе включены по схеме с ОЭ и образуют ВЧ усилитель ОЭ-ОЭ-ОЭ, имеющий наибольший коэффициент усиления по сравнению с другими схемами включения транзисторов.
По постоянному току транзистор VT1 включен диодом, так как его коллектор и база соединены через низкое сопротивления резистора R1 (падение напряжения на резисторе R1 от протекания базового тока транзистора VT1 не превышает нескольких милливольт). Постоянное напряжение Uкэ=Uбэ транзистора VT1 приложено между базой и эмиттером транзистора VT2, поэтому оба транзистора образуют по постоянному току источник тока с диодным смещением, в котором осуществляется температурная стабилизация коллекторных токов при условии согласования характеристик транзисторов VT1 и VT2.

Так как транзисторы VT1 и VT3 включены последовательно, то стабилизируется и коллекторный ток транаистора VT3, поэтому токи коллекторов всех трех транзисторов равны и не зависят от температуры, что и определяет стабильность основных параметров усилителя при изменении температуры.
Токи коллекторов Iк определяются по формуле: Iк1=Iк2=Iк3=(Е-2Uбэ)/R≈(E-1,4)/R2.

Из-за того, что резистор R1 по переменному току включен между базой и коллектором транзистора VT1, последний оказывается охваченным параллельной отрицательной связью (ООС), что увеличивает полосу пропускания, уменьшает коэффициент усиления и входное сопротивление усилителя, которое в данной схеме близко к 50 Ом.

Коэффициент усиления схемы определяется величиной сопротивления нагрузки R3, а также суммарным сопротивлением резисторов R5 и R6. Конденсаторы C1, C2 и С3 определяют нижнюю граничную частоту усилителя, а цепь R5, R6 и С4 величину подъема АЧХ на высоких частотах и максимальную верхнюю частоту полосы пропускания.

На Рис.2 приведены АЧХ усилителя, выполненного на транзисторах КТ399А, при различных напряжениях питания и зависимость потребляемого усилителем тока от напряжения питания.



Рис.2 АЧХ УВЧ и зависимость потребляемого тока от Еп

Из приведенных зависимостей видно, что в усилителе может быть реализован коэффициент усиления по напряжению 100...130 при полосе пропускания порядка 200 МГц. Усилитель сохраняет работоспособность при изменении напряжения питания от 2 до 12В.

Недостатком рассмотренного широкополосного усилителя является низкое входное сопротивление и невысокая нагрузочная способность. На Рис.3 приведена схема широкополосного усилителя, свободного от перечисленных недостатков.

Рис.3 Схема усовершенствованного широкополосного УВЧ

Для этого в схему добавлен эмиттерный повторитель на транзисторе VT4, который через элементы R5, R6 и R7 осуществляет глубокую ООС по постоянному току, охватывающую все каскады усилителя. При этом ООС по переменному току исключается благодаря конденсатору С5. Также исключается параллельная ООС в транзисторе VT1 и существенно повышается его входное сопротивление и коэффициент усиления, а благодаря наличию на выходе эмиттерного повторителя, уменьшается выходное сопротивление усилителя и повышается его нагрузочная способность.

На Рис.4 приведены АЧХ усилителя, выполненного на четырех транзисторах КТ368Б, при различных напряжениях питания и зависимость потребляемого тока от напряжения питания.



Рис.4 АЧХ усовершенствованного УВЧ и его зависимость тока потребления

Из Рис.4 видно, что наиболее равномерная АЧХ усилителя получается при напряжении питания 6...7 В, а коэффициент усиления достигает 40 дБ при полосе пропускания 160 МГц. Верхняя граничная частота и величина подъема АЧХ определяются элементами коррекции R4 C2, а также величиной резистора R3.

Избирательный усилитель с активной фильтрацией

Рассматриваемый усилитель может быть использован в качестве избирательного усилителя без применения колебательных контуров. В этом случае применяется метод активной фильтрации с помощью частотно-зависимой ООС, в результате чего реализуется избирательный усилитель со стабильной АЧХ. Принципиальная схема избирательного усилителя с активной фильтрацией изображена на Рис.5.



Рис.5 Схема избирательного УВЧ с активной фильтрацией

От варианта широкополосного усилителя схема отличается пониженным током потребления (из-за увеличения номиналов резисторов R1 и R2), а также наличием конденсатора Сэ, включенного между эмиттером транзистора VT3 и общей шиной. При отсутствии конденсатора Сэ усилитель охвачен глубокой ООС по переменному току и его коэффициент усиления оказывается низким.
При наличии конденсатора Сэ определенной величины он образует с индуктивной составляющей входного сопротивления транзистора VT3 со стороны эмиттера последовательный резонансный контур, в результате чего глубина ООС на квазирезонансной частоте резко уменьшается, а коэффициент усиления возрастает. Из-за стабильности параметров усилителя по изложенным выше причинам получается высокая температурная стабильность АЧХ усилителя.

Пример АЧХ усилителя при Сэ=1000пФ и различных напряжениях питания приведён на Рис.6.


Рис.6 АЧХ резонансного УВЧ при Сэ=1000пФ и различных Еп

Из рисунка видно, что при увеличении напряжения питания несколько возрастает и квазирезонансная частота усилителя, что объясняется уменьшением индуктивной составляющей входного сопротивления VT3 со стороны эмиттера при увеличении тока эмиттера, который растет при увеличении напряжения питания.

При увеличении ёмкости Сэ квазирезонансная частота уменьшается пропорционально корню квадратному из коэффициента увеличения Сэ, что видно из графика Рис.7, где приведена зависимость квазирезонансной частоты fo от емкости Сэ при Е=9В. Максимальная частота для рассматриваемой схемы на транзисторах КТ368 получается 100...130мГц (при Сэ=10 пФ).



Рис.7 Зависимость квазирезонансной частоты УВЧ fo от емкости Сэ

В предлагаемой схеме избирательного усилителя могут быть получены весьма высокие значения резонансного коэффициента усиления. Это видно из графиков зависимости резонансного коэффициента усиления Ко от частоты при различных напряжениях питания.



Рис.8 Зависимости резонансного коэфф. усиления УВЧ от частоты

Например, на частоте 2МГц при Е=12В Ко≈200000, а на частоте 26МГц коэффициент усиления спадает до 13000. При снижении напряжения питания до 6В Кu уменьшается приблизительно в 2 раза.

Одним из основных параметров избирательного усилителя является добротность реализуемого квазирезонансного контура. Добротность зависит от многих параметров схемы усилителя, но наибольшая зависимость наблюдается от сопротивления резистора R3, установленного в эмиттерной цепи транзистора VT3.
Зависимость добротности от номинала резистора R3 при сопротивлении нагрузки 200 Ом приведена на Рис.9.



Рис.9 Зависимость добротности квазирезонансного контура УВЧ от от номинала R3

Следует отметить, что с изменением величины R3 изменяется квазирезонансная частота, коэффициент усиления и потребляемый ток (незначительно). Для сохранения частоты необходимо подбирать ёмкость конденсатора Сэ. При этом при увеличении R3 частота уменьшается, поэтому требуется уменьшать Сэ.
Из приведённого графика видно, что при увеличении R3 увеличивается и добротность, однако при R3 ≤ 1,4 кОм зависимость добротности линейная (Q ≤ 8), а при дальнейшем росте R3 наблюдается резкое увеличение добротности, что приводит к нестабильности полосы пропускания и коэффициента усиления. Поэтому в практических устройствах следует рекомендовать Q ≤ 8...10.