влиянием входной емкости, емкости обратной связи И'сопротивления нагрузки:

Г здБ = 1/2я/?н(С„ + Скб).

2. Определяем входной импеданс как сочетание полного входного сопротивления базы (гд и Свх. э) и эффективной емкости обратной связи

3. Рассчитываем сопрягающую частоту, при которой падение усиления на 3 дБ связано с нагружением источника входным импедансом; сравнивая ее с выходной частотой 3 дБ , вычисленной в п. 1, находим узкое место с точки зрения высоких частот. *

4. Если необходимо, попробуем улучшить характеристики путем снижения требований к тем параметрам, которые вызывают спад усиления на высоких частотах.

Заметим, что емкость обратной связи С„б влияет на частотные характеристики как выходного, так и входного каскадов, причем в последнем случае она умножается на коэффициент усиления по напряжению (эффект Миллера).

Рассмотрим в соответствии со сказанным эквивалентную схему включения транзистора 2N4124 с параметрами С„б=2,4 пФ при 2,5 В, 250 и /т=300 МГц (рис. 13.6).

8,2 кОм

Рис. 13.6.

1. Предположим, что Гз работает от источника напряжения, его коэффициент усиления по напряжению на низкой частоте равен 100, поскольку Гэ=10 Ом при токе коллектора 2,5 мА. Частота -3 дБ, вычисленная по выходной емкости, приблизительно равна 40 МГц (2,4 пФ параллельно 2 пФ шунтируют 1,0 кОм). Заметим, что в этом простом расчете мы не учитываем емкость нагрузки и паразитную емкость проводов.

2. Входное сопротивление, параллельное емкости Миллера (240 пФ) и Свх. э. приблизительно равно 2,5 кОм (йпа^э); емкость Свх. э находится по формуле, приведенной выше, и равна /--53 пФ.

3. Верхняя сопрягающая частота, связанная с входной емкостью, при грубом расчете получается равной 280 кГц {R=b,2 кОм параллельно 2,5 кОм; С=240 пФ + 53 пФ) и определяется емкостью эффекта Миллера КцСко в комбинации с относительно высоким сопротивлением цепи базы. Заметим, что усиление фактически на низкой частоте

меньше 100, еси считать, что входной сигнал равен сигналу на нена-груженном выходе дифференциального каскада, так как предварительный каскад работает на низкое входное сопротивление; с учетом этого эффекта усиление на низких частотах фактически получается равным 100x2,5/(2,5+8,2), т. е. приблизительно 23.

Чрезмерная нагрузка предварительного каскада и низкая сопрягающая частота указывают на то, что схема построена плохо, но рассмотрение ее дает возможность увидеть практические трудности конструирования высокочастотных усилителей. Чтобы улучшить характеристики, надо либо значительно уменьшить полное сопротивление в цепи коллектора, либо использовать иную конфигурацию усилителя. В следующем разделе мы обсудим несколько наиболее популярных схем высокочастотных усилителей, в которых эффекты, связанные с емкостью входа (/т) и емкостью обратной связи (СкбКи, эффет Миллера), уменьшены или полностью отсутствуют.

13.04. Примеры высокочастотных усилителей

Как видно из сказанного выше, в высокочастотных усилителях, работающих от источника с умеренно высоким импедансом, доминировать может эффект Миллера. В этих случаях частота /т=300 МГц и вычисленная для выходного каскада постоянная времени, соответствующая сопрягающей частоте 40 МГц, не влияют на характеристики схемы, которые определяются постоянной времени входной цепи, соответствующей сопрягающей частоте 280 кГц.

Три способа подавления эффекта Миллера, Помимо грубого подхода, заключающегося в том, чтобы просто сильно уменьшить^

в

Рис, 13.7. Упрощенные схемы высокочастотных усилителен.

а - повторитель плюс усилитель с общим эмиттером; б - усилитель с общим эмиттером плгоо усилитель с общей базой (каскодная схема); в - повторитель плюс усилитель с общей базой (дифференциальный усилитель).

сопротивление в цепи коллектора, имеется несколько интересных конфигураций, в которых обеспечено уменьшение выходного сопротивления каскада - источника сигнала или емкости обратной связи или обоих вместе. На рис. 13.7 приведены эти конфигурации, изображенные в самой простой форме, без цепей смещения и питания (т. е. показаны только цепи, влияющие на частотах сигнала).

В схеме а эмиттерный повторитель снижает выходное сопротив-ление источника, подключенного ко входу усилителя с общим эмитте-

i> Но эффект Миллера определяется значением К = 100,- Прим. ред.

ром. Это значительно ослабляет отрицательное действие fj и КцСкб-В схеме б, известной как каскодное включение, каскад с общим эмиттером управляет каскадом с общей базой, тем самым сводя на нет эффект Миллера КцСко (эмиттер имеет потенциал, фиксированный напряжением базы; он просто передает ток коллектора Тз на В схеме в повторитель управляет каскадом с общей базой, причем эффект Миллера полностью отсутствует, и в то же время уменьшается

выходное сопротивление управляющей цепи; это, по существу, обычная схема дифференциального усилителя с несбалансированными коллекторными резисторами и одним заземленным входом.

Коррелирующая индутивность

Другие приемы. Кроме этих схемных конфигураций имеются два других подхода к проблеме входной емкости и емкости обратной связи, а именно: а) использование одного простого усилителя с заземленной базой, если полное выходное сопротивление источника сигнала достаточно

низко, и б) использование настраиваемых цепей на входе и выходе усилителя с общим эмиттером (или другой схемы) для расстройки эффектов межэлектродных емкостей. Заметим, что такие

настраиваемые усилители не бывают широкополосными, а уси-

Рис. 13.8.

вхз

Г

ливают сигналы только в узкой области частот (что может быть весьма выгодно для некоторых применений). Кроме того, в таком усилителе может быть необходима нейтрализация Узкополосные настраиваемые усилители будут обсуждаться в последних разделах этой главы. В качестве компромиссного среднего решения может использоваться корректирующая пиковая индуктивность в несколько микрогенри, включенная последовательно сопротивлению нагрузки коллектора для подавления емкостных эффектов и подъема усиления на частотах, несколько превышающих естественную частоту высокочастотного спада (рис. 13.8).

*) Емкости между входом и выходом.- Прим. ред.

Рис. 13.9. Эквивалентные схемы

а - каскад с общей базой; б - эмиттерный повторитель.

Глат 13

Чтобы можно было оценить высокочастотные характеристики схем на повторителях и каскадах с заземленной базой, следует построить простые эквивалентные схемы транзисторов по переменному току для этих конфигураций (рис. 13.9). Заметим, что в эквивалентной схеме эмиттерного повторителя сопротивления зависят от сопротивлений источника сигнала и нагрузки (как реактивных, так и омических). Мы применим эти модели в следующих примерах.

13.05. Пример проектирования широкополосной схемы

В качестве примера улучшенной модификации широкополосного усилителя рассмотрим схему на рис. 13.10, построенную так, чтобы снижение усиления, вызываемое эффектом Миллера, было полностью устранено. В ней используются эмиттерные повторители на входах

+ 5В

Диапазон синфазной ломехи С ±1,0 8 - о-

4,3 rOm

4,3 kOn

/ э=25 Ом

\\ МА

-0,7

Т(5.5 мА

-1,4 10 мА if

/ э-5 0м1р1.

-1.5

Рис. 13.10, Широкополосный дифференциальный усилитель.

(высокий входной импеданс) дифференциального усилителя; выходная нагрузка изолирована эмиттерным повторителем от каскодного выходного узла дифференциального усилителя. Схемное решение основано на использовании хорошего высокочастотного транзистора 2N5179 с /т^ЮОО МГц (по паспорту /iai3=10 при 100 МГц) и С„б= 0,5 пФ при 2 В. Приближенная эквивалентная схема усилителя с

обозначением р-/г-переходов и паразитных емкостей приведена на рис. 13.11. . -

Чтобы определить точку начала высокочастотного спада, надо рассмотреть каждый каскад, анализируя различные RC, используя соответствующие эквивалентные схемы. Обычно имеется один каскад, который имеет самую низкую граничную частоту, и часто интуитивно

1,0 нОм

5 о,г Jo.5

4 VZPnVit i

Q.3:

(Г

5 0м

25 +

- х

270 О^ТгГ X 1

Рис. 13.11. Эквивалентная схема по переменному току для усилителя, изображенного на рис. 13.10,

Низкая частота; 2 = 40 кОм, Ку 300/10=30, ых 2N5179. htTO, С > (2В) = =0,5 пФ, С^д= 0,2 пФ, hig (100 МГц, 5 мА)=10, С^О.З пФ

можно Правильно угадать, какой именно, В данной схеме ограничивающим фактором является конечное полное сопротивление цепи базы каскада на (300 Ом) в сочетании с собственной емкостью Г? и емкостью нагрузки Сн, частично шунтирующей базу Т, (помните, что hzig изменяется приблизительно как 1 , так что при высоких частотах развязывающее действие эмиттерного повторителя всерьез ослабляется).

Упрощенный метод расчета точки спада - 3 дБ, который мы применим, будет состоять в следующем. Взяв эквивалентную схему эмиттерного повторителя на Тт, определим импеданс цепи базы при известных емкостях нагрузки, переходов и проводов (полагаем, что С„б=0,5 пФ, Скэ=0,2 пФ и Сп=0,3 пФ). Поскольку полное сопротивление цепи базы зависит от hib, следовало бы рассчитать его как функцию частоты (положив Лахэ I на высоких частотах) но вместо этого оценим его при нескольких значениях частоты, предполагая, что точка -3 дБ должна лежать где-то вблизи нескольких сот мегагерц. На рис. 13.12 дан итог этого процесса. Полное сопротивление нагрузки было рассчитано на частотах 100, 200 и 400 МГц, далее умножено на коэффициент усиления транзистора по току (учитывается, что 213=== i/f), скомбинировано с другими импедансами, которые всегда имеются в цепи базы, а затем определялось результирующее значение импеданса, чтобы получить относительные значения выхода в функции

> Точнее Аа1э*/т^/ (если /t <219 Для низких частот).- Прим. ред.

частоты. Как можно видеть, выходное напряжение снижается на -3 дБ на частоте, равной приблизительно 180 МГц.

Теперь, используя эту оценку граничной частоты, следует посмотреть, будут ли другие RC-nenu давать значительное ослабление на этой частоте. Например, для каскада на коллекторная

1,3 пФ

300 Ом

Гз = г.5 Ом 270

.0.5

-3 дБ при 400 МГц, действует только 1.3 ггФ

/ = 100 МГц (1,3 пФ)Т I 200 МГц т у ,200 4= 400 МГц Г

300

Параллельное соЕдинение

X. - j 860

lz70 250

и

ПОП.тон: X 295 Ом

100 МГц 200 МГц 400 МГц

X 260 Ом X ZOO Ом 104 Ом J

- окончательная оценка:-ЗдБ при 180 МГц

Рис. iS.l2. Эквивалентные схемы для расчета верхней сопрягающей частоты схемы рнс. 13.10.

цепь должна вызывать снижение усиления на -3 дБ вблизи 1000 МГц, если в качестве расчетного значения hzu принять усиление транзистора на 180 МГц (йгь 5). Другими словами, каскодная часть схемы не ухудшает общую характеристику.

Этим простым способом можно непосредственно удостовериться, что другие цепи схемы не вносят более низких частот ослабления ;-3 дБ. При рассмотрении входного каскадаследуетзадатьсяопреде-

ч

13.06. Уточненные модели схем по переменному току

Объемное f распределенное**) сопротивление базы. Стоит отметить, что модели, которыми мы пользовались, в некотором смысле упрощены, в них не учитываются некоторые важные эффекты, как, например, конечное сопротивление базы г'. Для высокочастотных транзисторов указывается параметр ГвСцб - постоянная времени коллектор- база*. Для 2N5179 она равна 3,5 пс (ном.), эта величина определяется объемным сопротивлением базы, равным приблизительно 7 Ом. При анализе характеристик на очень высоких частотах такие эффекты необходимо включать в расчет; в этом примере они отсутствуют и не влияют на выводы, сделанные нами ранее.

Расщепление полюсов. Другим упрощением в предыдущих рассуждениях было допущение, что каждое RC-звено вызывает спад усиления независимо от других. То, что здесь должно быть некоторое взаимодействие, легко видеть по следующим соображениям: эффект Миллера сам по себе является формой высокочастотной отрицательной обратной связи. Поскольку он определяется выходным напряжением, то он должен снижать полное сопротивление выходной цепи транзисторного каскада, в особенности на высоких частотах, где его петлевое усиление велико (конечно, при этом он вызывает уменьшение усиления по напряжению, которое является проблемой в целом). В результате уменьшение сопротивления цепи коллектора сдвигает спад, связанный с i? C , в область более высоких частот, поскольку выходное сопротивление цепи коллектора параллельно R. Таким образом, снижение сопрягающей частоты, связанной с эффектом Миллера (за счет возрастания Ки С^б), вызывает подъем сопрягающей частоты, связанной с емкостью коллектора и нагрузки Это явление известно как расщепление полюса .

> Постоянная времени (внутренней) цепи обратной связи транзистора.- Прим.

2) И наоборот, спад, обусловленный Сн, снижает влияние эффекта Миллера, что иногда важнее.- Прим. ред.

ленным значением сопротивления источника сигнала. При 2 = 1000 Ом (довольно высокое сопротивление для видеосхем, подобных этой) окажется, что сочетание сопротивления источника и входной емкости (1,0 кОм, 0,8 пФ) даст точку ослабления -3 дБ вблизи 200l МГц. Таким образом, вся схема имеет требующуюся плоскую частотную характеристику вплоть до 200 МГц, eain полное сопротивление источника меньше 1 кОм, и характеристика будет ухудшаться, если сопротивление источника превысит 1 кОм. Таким образом, характеристика этой схемы значительно лучше, чем у рассмотренной выше.

17 -

13.07. Последовательно-параллельные пары

В широкополосных усилителях с низким коэффициентом усиления распространены схемы на последовательно-параллельных парах транзисторов (рис, 13,13). Идея заключается в создании усилителей с низким коэффициентом усиления (возможно, около 10 дБ) и с плоской характеристикой в широкой области частот. В этих схемах удачно

применяется отрицательная обратная связь для расширения полосы пропускания. Однако отрицательная об-

ратная связь сама по себе может

быть источником неприятностей на высоких частотах из-за неконтролируемого сдвига фазы, если петлевое усиление в контуре будет велико. В последовательно-параллельных парах эти трудности преодолеваются за счет введения нескольких контуров обратной связи, в каждом из которых петлевое усиление невелико.

В схеме рис. 13.13 оба каскада, Ti и Тг, работают как усилители с низким коэффициентом усиления по напряжению, так как их эмиттерные резисторы не зашунтированы. обеспечивает обратную свяйь, охва-. тывающую только 7i, так как Та работает как повторитель в этой цепи. Благодаря тому, что полное усиление по напряжению для каскада на Tl определяется отношением {RjRi), Ri может подбираться в соответствии с необходимым усилением незамкнутого контура T{RJR). И наконец, обратная связь к эмиттеру Ti добавляется для уменьшения усиления до его расчетной величины i.

Последовательно-параллельные пары удобны для блочного построения усилителей, так как они чрезвычайно стабильны и просты по конструкции. С их использованием легко строить усилители с шириной полосы до 300 МГц или более. Коэффициент усиления на одну пару составляет обычно от 10 до 20 дБ, а при необходимости получить большее усиление ставят несколько каскадов.

В разд. 13.11 будут обсуждаться вопросы построения резонансных узкополосных усилителей в противоположность широкополосным устройствам, о которых мы говорили до сих пор. Поскольку усиливаемые сигналы часто имеют узкую полосу частот, при работе в радиодиапазоне очень полезны также резонансные усилители.

Рис 13.13.

1> И соответствующего расширения полосы пропускания.- Прим. ред.

Таблица 13.t

Высокочастотные транзисторы

15 15 15 8 15

20 10

) Поскольку база обратно смещена, когхт напряжение на коллекторе резонансной схемы ют напряжение пробоя перехода коллектор - база *) Минимум

) При Ук:б=1 в

о

>i 2

с

* 175

175 400 175 400 200

200 100

2000

1000

1000

10 7

1 3) 30

0,02 35

100 100

400 175 100

500 175

2000

Примечания

Стоимость низкая, легок

в установке Дешевый, популярный

Малошумящий, популярный

Малошумящий Мощный СВЧ

Мощный микроволновый диапазон

Малосигнальный для микроволнового диапазона

Для телеметрической аппаратуры с питанием от батарей

повышается, то в качестве Uy-qq часто указыва-

284 1лава 13

13.08. Модульные усилители

Из предыдущего рассмотрения усилителей высоких частот можно видеть, что разработка качественного высокочастотного усилителя очень трудоемка, связана с очень грубыми расчетами и требует проведения многочисленных испытаний конструкции. К счастью, более дюжины поставщиков выпускают усилительные модули в законченном виде, заключенные в корпусе, причем разнообразие их конфигураций таково, что может удовлетворить практически любым требованиям. Действительно, в виде законченного модуля можно получить почти каждый ВЧ-узел, включая генераторы колебаний, смесители, модуляторы, аттенюаторы, управляемые напряжением, накопители и делители мощности, циркуляторы, гибридные волноводные соединители, направленные ответвители мощности и т. д. Некоторые из этих схемных элементов мы будем рассматривать в разд. 13.12.

В большинстве случаев ВЧ-усилители выпускаются в виде тонкопленочных гибридных интегральных схем с коэффициентом усиления, заданным в широкой полосе частот; они встроены в 4-штырьковый транзисторный корпус. Два штырька являются выводами входной и выходной цепей с общепринятым полным сопротивлением 50 Ом, а остальные штырьки предназначены для заземления и соединения с источником постоянного тока. В продажу поступают различные усилители: одни из них отличаются низким уровнем шумов, другие - большой мощностью или большим динамическим диапазоном. Усилители могут предназначаться либо для работы в очень широкой области частот, либо для определенной полосы частот, используемой в связи. Например, UTO-514 фирмы Avantek имеет усиление 15 дБ в полосе частот от 30 до 200 МГц, коэффициент шума 2 дБ (максимум) и неравномерность усиления в полосе частот ±0,75 дБ. Устройство размещается в 4-штырьковом корпусе транзистора ТО-8.

Гибридные усилители могут использоваться как сами по себе, так и в качестве каскада усиления, обычно их включают в полосовые линии (разд. 13.20). Чтобы еще больше облегчить жизнь, изготовители решили выпускать усилители в блочном исполнении в виде специальных модулей. Эти зверюшки обычно представляют собой небольшие металлические коробочки размером 5x5x2,5 см с высокочастотными коаксиальными разъемами типа SMA на входе и выходе. Чтобы дать вам представление о том, что вы можете приобрести, мы пролистали весь каталог фирмы Avantek и пришли к следующему выводу: UTC2-102 - прекрасный малошумящий усилитель с усилением 29 дБ и коэффициентом шума 1,5 дБ в полосе частот от 30 до 200 МГц. Более широкую полосу имеет AMG-502, который работает в полосе от 5 до 500 МГц с коэффициентом шума 2,8 дБ и усилением 27 дБ. Усилитель AWL-500 перекрывает область частот 0,001-500 МГц с коэффициентом шума 5 дБ и усилением 25 дБ. Все эти усилители имеют неравномерность частотной характеристики ±1 дБ. В целом выпускаемые усилители перекрывают область частот до 18 ГГц, и при их построении