4.3. Практические схемы усилителей радиочастоты
В качестве УЭ наиболее широко применяются биполярные и полевые транзисторы. В приёмниках СВЧ наряду с транзисторами применяются лампы бегущей волны (ЛБВ), маячковые лампы и др.
УРЧ с двойной автотрансформаторной связью контура.
Эти УРЧ применяются в области умеренно высоких частот (3… 300 МГц).
Схема УРЧ на БТ с ОЭ показана на рис. 4.1.
Рис.4.1. Схема УРЧ на БТ с ОЭ с двойной автотрансформаторной связью
Эта схема позволяет получить наибольшее усиление мощности сигнала.
В качестве УЭ обычно используются высокочастотные кремниевые транзисторы, которые более стабильны и экономичны при повышенных рабочих температурах, нежели германиевые. Избирательным элементом УРЧ служит контур LКCК. Конденсатором СК осуществляется настройка контура на заданную частоту диапазона. Конденсатор СП включён в цепь для подстройки контура на верхнюю граничную частоту f0 МАКС. На нижнюю частоту f0 МИН диапазона контур настраивается с помощью ферромагнитного сердечника катушки LК.
Резисторы Rб1 и Rб2 составляют делитель напряжения для подачи смещения на базы транзисторов VT1 и VT2 от источника коллекторного питания ЕК. В схеме использована температурная стабилизация положения рабочей точки на ВАХ транзистора за счёт ООС по постоянному току через резистор RЭ в цепи эмиттера. Конденсатор СЭ блокирует резистор по высокой частоте, поэтому ООС на частотах усиливаемых колебаний отсутствует, что обеспечивает получение высокого коэффициента усиления каскада УРЧ.
Цепочка RФCФ является развязывающим фильтром. При отсутствии этого фильтра переменные составляющие тока коллектора транзистора протекают через источник питания ЕК и создают на его внутреннем сопротивлении переменное напряжение, изменяющееся с частотой сигнала. Это напряжение может в некоторых случаях явиться причиной возникновения положительной обратной связи (ПОС) внутри каскада или между каскадами, так как оно может подаваться на вход УЭ через цепочку Rб1Rб2. Это может привести к неустойчивой работе или даже самовозбуждению УРЧ. При включении фильтра RФСФ переменная составляющая тока коллектора через конденсатор СФ замыкается на корпус, минуя источник питания ЕК, и нежелательная межкаскадная ОС при этом устраняется. Сопротивление резистора RФ выбирается таким, чтобы падение постоянного напряжения на нём не превышало
0,5 …1 В. Ёмкость конденсатора СФ выбирается так, чтобы его реактивное сопротивление для токов высокой частоты было в 10…20 раз больше величины RФ. Кроме того, ёмкость СФ должна быть не менее чем в 10…20 раз больше полной ёмкости контура усилителя.
Конденсатор СР1 осуществляет развязку ВЦ и УРЧ по постоянному току. Разделительный конденсатор СР2 исключает протекание через контурную катушку LK постоянного тока базового делителя следующего каскада.
Особенностью этой схемы УРЧ является частичное подключение контура как к входу, так и к выходу транзистора, что обусловлено требованиями оптимального согласования выходного сопротивления первого каскада УРЧ и входного сопротивления следующего каскада.
Высокие требования к линейности радиотракта РПрУ при малом коэффициенте шума обусловили широкое применение в схемах УРЧ полевых транзисторов. При использовании ПТ наибольшее распространение получила схема УРЧ с ОИ (рис.4.2):
Рис.4.2. Схема УРЧ на ПТ с ОИ с автотрансформаторной связью
ПТ по сравнению с БТ обладает более высоким входным сопротивлением, малой проходной ёмкостью, меньшим уровнем собственных шумов, обеспечивает малый уровень нелинейных искажений, высокое быстродействие и более высокую термостабильность. Резистор RИ служит для создания напряжения смещения на затворе и для термостабилизации тока стока. Резистор RЗ является сопротивлением утечки в цепи затвора, его величина выбирается порядка 1 Мом. Для УРЧ на ПТ применяют полное включение контура в цепь затвора следующего каскада. Исходя из соображений устойчивости, полное включение колебательного контура в цепь стока обычно не делается.
На частотах выше 40 МГц в УРЧ на БТ применяется схема включения с ОБ (рис.4.3).
Рис.4.3. Схема УРЧ на транзисторе с ОБ с двойной автотранс-
форматорной связью
Включение контура в выходную цепь транзистора делается полным. Особенность этой схемы состоит в том, что вся переменная составляющая тока коллектора протекает по цепи предыдущего каскада через контур
LК.ВЦCВЦCП.ВЦ, вследствие чего образуется полноценная ООС. Это существенно повышает устойчивость работы УРЧ и снижению коэффициента шума приёмника.
УРЧ с электронной настройкой
На рис. 4.4 приведена схема УРЧ с электронной настройкой с помощью варикапов VD1 и VD2, ёмкость которых определяется управляющим напряжением смещения. Варикапы включены встречно-последовательно для уменьшения нелинейности их характеристик и предотвращения паразитной модуляции.
Рис.4.4. Схема УРЧ с электронной настройкой
УРЧ с трансформаторной связью контура с транзистором
Эта схема приведена на рис.4.5.
Рис.4.5. Схема УРЧ на БТ с трансформаторной связью
Здесь все элементы выполняют те же функции, что и в предыдущих схемах УРЧ. Для повышения равномерности усиления в диапазоне в схему могут быть введены дополнительные конденсаторы СДОП и ССВ. Достоинствами схемы с трансформаторным включением является возможность выбора за счёт коэффициента трансформации оптимального согласования входного и выходного сопротивлений соседних каскадов, а также их полная развязка по постоянному току.
Каскодные схемы УРЧ
Каскодными называются усилители, в которых первый каскад включён по схеме с ОЭ (ОИ – для ПТ), а второй – по схеме с ОБ (ОЗ – для ПТ). Упрощённая схема каскодного усилителя показана на рис. 4.6:
Рис.4.6. Упрощённая схема каскодного усилителя на БТ
Как видно из рис.4.6, первый транзистор включён по схеме с ОЭ, а второй – по схеме с ОБ, нагрузка включена в коллекторную цепь второго транзистора. При каскодном соединении транзисторов усилитель на входе приобретает свойства каскада с ОЭ, а на выходе – с ОБ. Входное сопротивление каскодного усилителя соответствует входному сопротивлению каскада с ОЭ, а выходное – каскаду с ОБ и имеет довольно большую величину (сотни кОм). Большое выходное сопротивление каскодного усилителя позволяет осуществлять полную связь контура с коллекторной цепью и тем самым реализовать большое устойчивое усиление каскада.
Схема каскодногоУРЧ на БТ показана на рис.4.7.
Рис. 4.7. Схема каскодного УРЧ на биполярных транзисторах
Транзистор первого каскада включён по схеме с ОЭ, что обеспечивает достаточно высокое входное сопротивление усилителя и большое усиление радиосигнала по мощности. Нагрузкой коллекторной цепи VT1 служит малое входное сопротивление второго каскада каскодного усилителя, выполненного по схеме с ОБ. Второй каскад обеспечивает большое усиление сигнала по напряжению. В целом же каскодные УРЧ при достаточно большом усилении сигнала обеспечивают хорошую устойчивость работы на высоких частотах при малом коэффициенте шума. Поэтому они нашли широкое применение в РПрУ метрового диапазона.
Каскодный УРЧ, выполненный на ПТ, изображён на рис.4.8:
Рис.4.8. Схема каскодного УРЧ на полевых транзисторах
Транзистор первого каскада включён по схеме с общим истоком, второго – по схеме с общим затвором. По постоянному току оба транзистора включены последовательно, что обеспечивает глубокую ООС и, следовательно, высокий коэффициент устойчивого усиления на высоких частотах.
УРЧ на интегральных микросхемах
Микросхемы, которые используются в каскадах УРЧ, разделяются на полупроводниковые (серии 118, 174, 175) и гибридные (серии 224, 228, 435).
В полупроводниковых ИМС все элементы и межэлементные соединения выполняются в объёме и на поверхности полупроводника. Гибридные ИМС включают в себя, помимо полупроводниковых, различные дискретные элементы – конденсаторы, резисторы и пр.
Верхний предел полупроводниковых ИМС по частоте часто не превышает 100…200 МГц. Кроме того, они уступают по шумовым свойствам гибридным ИМС и, тем более, малошумящим транзисторам. По этим причинам УРЧ и МШУ (малошумящие усилители) строят на гибридных ИМС, на микросборках, используя бескорпусные транзисторы, а также транзисторные сборки.
На рис.4.9 показана схема каскада УРЧ на гибридной микросхеме типа 228УВ3:
Рис.4.9. Схема УРЧ на микросхеме типа 228УВ3
Здесь применено каскодное включение двух транзисторов по схеме
ОЭ – ОБ. Питание транзисторов осуществляется последовательно. При этом требуется вдвое большее напряжение источника питания, чем для усилительного каскада на одном транзисторе.
Транзисторы VT1 и VT2 можно рассматривать как один элемент, обладающий следующими свойствами:
малой внутренней обратной связью (примерно на два порядка ниже, чем в УРЧ на БТ с ОЭ), что позволяет получить высокий коэффициент устойчивого усиления;
коэффициент усиления по напряжению равен коэффициенту усиления по напряжению второго каскада;
коэффициент усиления по мощности равен коэффициенту усиления по мощности первого каскада.
коэффициент шума равен коэффициенту шума первого каскада;
В более поздних вариантах схемы УРЧ содержат от двух до четырёх транзисторов, предназначенных для усиления сигнала. Между транзисторами не ставятся согласующие звенья и избирательные цепи. Такие схемотехнические решения позволяют существенно повысить эффективность использования одной микросхемы и тем самым уменьшить габариты РПрУ, повысить показатели экономичности и надёжности. Помимо усилительных элементов в микросхемах часто применяются вспомогательные транзисторы для регулировки усиления и стабилизации режима.