CC BY
83Усилители с распределённым усилением -широкополосные АЯС-структуры
Прищепов Г. Ф .([email protected])
Таганрогский государственный радиотехнический университет
Емкости, шунтирующие нагрузки каскадов, уменьшают усиление сигналов высоких частот. Хороший метод нейтрализации емкостей применяется в усилителях с распределённым усилением (в УРУ, точнее, в ЬС-УРУ). В таких усилителях емкости транзисторов объединяются с ЬС-элементами двух линий, которые образуют специфическое ЬС-тело УРУ, «растворяются», распределяются в линиях и не влияют на форму частотной характеристики [1, 2]. Поскольку переменные токи транзисторов сливаются в коллекторной линии, то коэффициенты передачи напряжения каскадов суммируются.
Можно построить широкополосные ЯС-УРУ, более миниатюрные, чем ЬС-УРУ [9]: достаточно создать ЯС-тело с равномерной частотной характеристикой и подключить к нему транзисторы для обеспечения усиления. Фрагмент ЯС-тела показан на рис. 1. Здесь 21 -комплексные сопротивления горизонтальных двухполюсников, а 22 - сопротивления вертикальных двухполюсников однородной ЯС-линии [3]. Коэффициент передачи напряжения п-звенной линии определяется по правилу Мезона [4]:
К = уп/((1-а)(1-Ъ)(1-с)...(1-п))* ; ( 1 )
У = 1 / (2 + 21 / 22). ( 2 )
Здесь а, Ъ, с ... - коэффициенты передачи контуров графа, составленного для анализа цепи по методу контурных токов. Контура одинаковы: а = Ъ = с = ...= у2 и снабжены алфавитными метками для выделения соседних, касающихся контуров. Звездочка в знаменателе требует приравнять нулю произведения касающихся контуров [4], т. е. должны быть:
аЪ = Ъс = сё = ... = 0.
Выражение (1) содержит сумму целых степеней у, поэтому коэффициент передачи линии не будет зависеть от частоты, если отношение 21 к 22 (2) скомпенсировано до константы в заданном диапазоне частот:
Т1 = Я1С1 = Т2 = Я2С2 ( 3 )
В случае недокомпенсации (нк на рис. 2) или перекомпенсации (пк, рис. 2) частотная характеристика ЯС-линии стремится к уровням 0 или 1.
Многокаскадный усилитель изображен на рис. 4а. Две ЯС -линии из элементов 2н, 2 и ^С-элементов Т-образной эквивалентной схемы транзистора (рис. 4б) образуют ^С-тело усилителя. Транзисторы линий соединены в две последовательные цепи относительно источника питания Е. Между транзисторами цепей выполнены взаимно-перекрестные связи «база-коллектор». Расчет транзисторной структуры по постоянному току приведен в [5, 6, 9]. Эмиттеры транзисторов получают переменные токи из шин-проводников 1-3-5. и 2-4-6. через питающие конденсаторы СП . В диапазоне средних частот 2П = 1/2л;(СП & 0. Сравнивая элементы ЯС-линии рис. 1 с ячейками структуры рис. 4, находим, что роль 21 в АЯС-структуре выполняют цепи ЯК , СН ; ГЭ, СЭ, Г к, Ск. Роль 22 выполняют ЯС-цепи, соединенные с конденсаторами СП . Последовательно с ГЭ, СЭ можно включать цепочки Я0, С0, (рис. 4в, б). На рис. 4а прерывистыми стрелками показаны мгновенные направления переменных токов, вызванных положительным импульсом входного сигнала. Переменные токи нечетных транзисторов протекают в одном направлении - по шине 1-3-5 к источнику Е, а чётных - в противоположном направлении, по шине 2-4-6. Это чёт-нечётная группировка
каскадов по синфазному признаку относительно двух шин питания (рис. 4а). Она обеспечивает нормальную картину распространения волн тока в активных ЯС-линиях и устойчивое усиление сигнала [3]. В отличие от ЬС-УРУ, в АЯС-структуре рис. 4 происходит перемножение коэффициентов передачи напряжения каскадов.
Для использования структуры рис. 4 необходимо найти условие устойчивости усиления, исследовать возможности управления частотной характеристикой.
Метод поиска - исследование вариантов схем при совмещении экспериментов физического и математического. Это означает, что сначала измеряются амплитудно-частотные характеристики реальных усилителей (физический эксперимент, приложение П1); затем измерения повторяются с помощью программы анализа электронных схем (математический эксперимент, П2). Эксперименты объединены по принципу «один дополняет другой». Испытаны два варианта конструкций широкополосных усилителей. Первый вариант усилителей выполнен из навесных элементов (П1). Второй вариант усилителей - гибридно-плёночные микроусилители [6].
Устойчивость усиления. Введение однонаправленных активных элементов (транзисторов) в ЯС-линию рис. 1 делает линию однонаправленной, невзаимной. Согласно исследованиям Э. Скотта активные невзаимные линии устойчивы [3]. Экспериментальные исследования усилителей рис. 4 (приложение П1), моделирование с помощью ЭВМ таких усилителей (П2), их шин питания резистивными сетками позволяют уточнить выводы Э. Скотта. Следует отметить, что по причине скин-эффекта уже на частоте 100 МГц ток проникает в проводник на глубину всего 7 мкм, а сопротивление между эмиттерами каскадов усилителей [6] достигает
0,1 Ом. Неустойчивость появляется при слиянии шин в одну общую шину. Причина неустойчивости - взаимное влияние каскадов через общие сопротивления шины. Следовательно, шины (1-3-5...), (2-4-6...) должны быть изолированы друг от друга и от шины источника сигнала (0'-0). Соединяться шины могут только в узле 0, где подключен источник питания Е - рис. 4а. Так получается чёт-нечётная группировка каскадов по синфазному признаку относительно шин питания.
Включение транзисторов в ЯС-линию (рис. 1) приводит к следующим изменениям. Верхняя частота полосы пропускания компенсированной активной ЯС-линии теперь не может превысить частоту /а транзисторов (область вч на рис. 3). Режимы перекомпенсации АЧХ (пк на рис. 2) превращаются в квазирезонансы (кр, рис. 3). Спад усиления в области низких частот (нч, рис. 3) объясняется возрастанием сопротивления конденсаторов Сп, через которые эмиттеры транзисторов питаются переменными токами. В состав Z-элементов линии рис. 1 теперь входят комплексные сопротивления транзисторов (рис. 4б), которые и определяют условие компенсации. Поскольку комплексные сопротивления транзисторов зависят от их постоянных токов и напряжений, т. е. от источника питания Е, то, регулируя напряжение питания, можно менять режимы транзисторов, их параметры, приближаться к условиям ком-пенсации, настраивать форму частотной характеристики.
Специфика АЯС-УРУ ещё и в том, что надо учитывать цепи, не входящие в условие компенсации (3): сопротивление источника сигнала и входную емкость первого каскада; коллекторные нагрузки и емкости предпоследнего и последнего каскадов. Чтобы эти цепи минимально влияли на ВЧ-область АЧХ, следует применить низкоомный источник сигнала, включить низкоомные коллекторные нагрузки в предпоследнем и последнем каскадах и т. п. Кроме того, в коллектор предпоследнего каскада добавляется цепочка Яф, СФ (рис. 4а), обеспечивающая необходимое постоянное напряжение БК последнему каскаду:
иБК6 = I (Як5 + Яф) - 1ЯК6 ; I = 1э1= 1э2 .
Характеристики, изображённые на рис. 5, показывают преимущество АЯС-лини перед совокупностью автономных каскадов с эмиттерной коррекцией АЧХ. Для структуры рис. 4 можно выполнить условие 2П = 1/2п/СП & 0, Я=0 (рис. 4в), т. е. развязать каскады по переменному току, получить обычный многокаскадный усилитель, затем добавить цепочки высокочастотной коррекции 20 + (Я0 , С0) в эмиттеры транзисторов (рис. 4в). Элементы такого
усилителя, его АЧХ номер 1 приведены на рис.5. Если теперь переставить Z-элементы, сделать:
Zo = 0, Zп = 0, R = Ro , C = Co , то получим активную ЯС-линию (АЧХ-2). Эти опыты иллюстрируют эффект увеличения площади усиления при переходе от совокупности обычных каскадов с эмиттерной коррекцией к АЯС-линии.
На рис.6 показана возможность широкополосного усиления с высокоомными коллекторными нагрузками RК1 ... RК4 = 2000 Ом. При этом кроме нагрузок ZН+(RК, CН), емкостей Сп , элементов Z+(R, С) используются цепочки Z0 + ^0 , С0), включенные последовательно с ГЭ, СЭ (из рис. 4в цепочки , С0) переносятся в рис. 4б, 4а).
АЯС-линия подобна многозвенному фильтру, поэтому желаемые формы АЧХ можно получить за счёт вариаций ЯС-элементов каскадов (звеньев фильтра). В таблице приведены параметры широкополосных усилителей на разных транзисторах. В последнем столбце указано место подключения конденсатора С* «эмиттер-земля». Например, С4* - это конденсатор, подключённый между эмиттером четвертого транзистора и шиной питания. Усилители не содержат (Я.0 , С0) - цепочек, при этом Rф = 1 кОм ; RЭl = R ; Rc = 10 Ом ; С =
Сп.
Транзисторы Колич. каскдов Е I К /н -. /В Rн R Сп С*
В мА дБ МГц Ом Ом нФ пФ
КТ306Б 6 15 1,25 50 20 - 52 1200 120 1000 С1-6 = 91
КТ363А 6 12 5 30 40 - 250 130 27 0,3 С2,4,5 = 6,8
КТ372Б 8 12 2,5 42 0,5 - 500 200 20 1000 С1.8 = 1,2
Для широкополосных многокаскадных усилителей исчезает понятие «общий проводник (земля), сопротивление которого равно нулю». Межкаскадное сопротивление проводников с учетом скин-эффекта 0,01. 0,1 Ом. При этом изоляция каскадов от переменного напряжения, наведённого в шинах питания, становится невозможной с помощью ЯС-цепей или экранов-перегородок. Борьба с «паразитно-конструктивными связями» теряет смысл. Приходится изучать свойства каскадов, взаимодействующих через Я-сетку «земли», находить схемы для шин питания, конфигурацию «земли», гарантирующую устойчивую работу усилителя. Так на рис. 4а применена схема чёт-нечётной группировки каскадов относительно шин питания эмиттеров [9].
Переменные токи каскадов имеют собственные фазы, они втекают в Я-сетку земли, суммируются в Я-сетке, где и образуется переменное напряжение обратной связи (ОС). Напряжение ОС влияет на форму частотной характеристики усилителя. Поэтому можно говорить о квазиобъёме, влияющем на АЧХ усилителя. Можно менять форму квазиобъёма, перемещая перемычки между шинами питания и т. д. При этом настройка АЧХ выглядит так, как будто бы перемещается плунжер внутри объёмного ВЧ-резонатора.
Заключение. Предложенные ЯС-УРУ миниатюрны и экономичны. Распределение, «растворение» емкостей транзисторов в миниатюрных ЯС-линиях позволяет расширить
полосу усиливаемых частот до 0,5/а транзисторов. Коэффициенты передач каскадов перемножаются. Чёт-нечётная групировка каскадов по синфазному признаку к двум шинам
питания (рис. 4а) обеспечивает устойчивое усиление без экранов и перегородок между
22
каскадами, поэтому ЯС-УРУ занимают площадь около 2 см или 2 мм для конструкций гибридноплёночных или полупроводниковых. Появляются новые особые применения усилителей: их можно разместить внутри электронно-лучевой трубки и т. д.
Литература
1. Эрглис К. Э., Степаненко И. П. Электронные усилители. М.: Наука, 1964.
2. Кузьмин А. А. Маломощные усилители с распределенным усилением. М.: Советское радио, 1974.
3. Скотт Э. Волны в активных и нелинейных средах в приложении к электронике. М.: Советское радио, 1977, с. 21 - 24, 38 - 41.
4. Мэзон С., Циммерман Г. Электронные цепи, сигналы и системы. М.: Издательство иностранной литературы, 1963, с. 69 - 72.
5. Прищепов Г. Ф., Прищепова Т. М. Транзисторная структура для экономичных усилителей. Полупроводниковая электроника в технике связи. / Под ред. И. Ф. Николаевского. М.: Связь, 1978, вып. 19, с. 23 - 35.
6. Прищепов Г.Ф., Прищепова Т.М. Экономичные пленочные УПЧ. Микроэлектрника и полупроводниковые приборы. / Под ред. А. А. Васенкова и Я. А. Федотова. М.: Радио и связь, вып. 6, с. 229 - 233.
7. Измерения в электронике: Справочник/ В. А. Кузнецов, В. А. Долгов и др.; Под ред. В. А. Кузнецова. - М.: Энергоатомиздат, 1987. С. 368.
8. Разевиг В.Д. Система схемотехнического моделирования MICRO-CAP V. М.: Солон, 1997. Разевиг В. Д. Система схемотехнического моделирования MICRO-CAP 6. М.: Горячая линия -Телеком, 2001.- 344с.
9. А.с. 1504787 СССР МКИ H03F 3/42 Широкополосный RC-усилитель. Прищепов Г.Ф. (СССР). №4349363/24-09: Заявл. 24.12.87: Опубл. 30.08.89. Бюл. №32.
Приложения
П1. При измерении и записи АЧХ усилителей следует использовать приборы серии Х1[7]: Х1-27, Х1-46... для частот 20-20000 Гц; Х1-30, Х1-43... (частоты 0,1-1500 МГц). Детекторную головку измерителей АЧХ полезно заменить детектором из миниатюрных элементов, поместить детектор на плату исследуемого усилителя. Диод детектора сместить током 1 мкА. Внимание: частотно-модулированное напряжение на выходе приборов типа Х1 содержат до 25% гармоник. Поэтому АЧХ колебательного контура резонансной частоты F изображается на экране измерителя еще и на частотах F/2, F/3, F/4 ... с ослаблением.
Для усилителей из навесных элементов применялись транзисторы КТ355А, КТ363Б, КТ306Б, КТ372Б, резисторы МЛТ-0,125, конденсаторы типа КДК, КЛГ, КМ-6, для детектора -диод КД514А. Плата усилителей - гетинакс 100Х50Х1 мм, её проводники - медная фольга толщиной 50 мкм, монтаж «воздушный», штыри монтажные 10Х1 мм. Транзисторы размещались по краям платы слева и справа над шинами питания эмиттеров четных и нечетных каскадов. Проводник «0'-0» (рис. 4а) располагался снизу платы. Коробки-корпуса для усилителей выполнялись из диэлектрика. Конструкция гибридно-пленочных усилителей показана в сборнике [6].
П2. Программа анализа электронных схем (MICROCAP-6 и т. п.) [8] должна быть настроена на реальные транзисторы. Для этого измеряются параметры транзисторов, их вольтамперные характеристики, емкости, частоты f-альфа. Затем параметры транзисторов вносятся в библиотеку программы, составляются соответствующие тест-схемы для измерения параметров «машинных» транзисторов. Программа считается настроенной, если параметры «машинных» транзисторов совпадут с параметрами реальных транзисторов.
Программа MICROCAP-6 позволяет учесть скин-эффект металла проводников: для этого в строку FREQ окна RESISTOR надо вписать функцию-зависимость сопротивления от частоты, а в строку VALUE - величину сопротивления. Конструктивно-паразитные емкости резисторов (0,1 пФ; 1 нГн) учитываются при наборе схемы усилителя.
Семейства АЧХ, полученные при анализе усилителя, переносятся из MICROCAP-6 в программу WORD-97 в виде файлов *.EMF. Затем графики АЧХ можно группировать, делать дополнительные надписи - рис. 5, 6.
21 , 22
1 2
21
3 ...
п
---->
22
±
Рис. 1. Многозвенная ЯС-линия
К =1
пк
нк
0 / Рис. 2. АЧХ пассивной ЯС - линии
К кр
вч
100% 70%
к
0
Рис. 3. АЧХ активной ЯС - линии
0
5
3
С
Сэ
Z+(R, С)
Сп
Zн+(Rк, СН) б)
Со
Сп
Рис. 4. Шестикаскадный усилитель
Э
1
К
Я- Ом; С - пФ. УТ = КТ355А, в = 100, СБК = 3; ЯК1...ЯК4 = 330; ЯК5 = ЯК6 = 75; ЯФ = 1000; В Э1 только Яо, Со. В Б1 ЯБ1 = 330 для настройки 1Э1 = 1Э2 = I = 1,9 мА; Е = 12 В. ЯС = 75;
2.0000 СС = СП = СФ = 1мкФ;
