Усилители высокой частоты на транзисторах

К усилителям высокой частоты на транзисторах относятся резонансные усилители, которые обеспечивают на высокой частоте (до десятков мегагерц) достаточно устойчивое усиление при заданных значениях полосы пропускания и избирательности.

В усилителях высокой частоты, выполненных на транзисторах, сильно сказывается влияние входной емкости и входного сопротивления (входной проводимости) следующего каскада. Кроме того, на усилительные и избирательные свойства усилителя оказывают влияние также выходная емкость и выходное сопротивление самого транзистора.

Для ослабления шунтирующего действия одного каскада на другой используют либо неполное подключение контура (как со стороны входа следующего каскада, так и со стороны выхода транзистора), либо трансформаторную связь между каскадами. Наиболее часто встречаются усилители высокой частоты на транзисторах , собранные по схеме с общим эмиттером. Однако, начиная с нижней частоты метрового диапазона н особенно при необходимости обеспечения равномерного усиления в достаточно широком диапазоне частот применяют схему с общей базой.

В качестве примера на рис. 192, а приведена схема усилителя высокой частоты, собранного по схеме с общим эмиттером. Назначение элементов схемы, определяющих режим работы усилителя, то же, что и в усилителях низкой частоты, рассмотренных ранее. Элементы контура L, С, С 1 , С 2 выполняют те же функции, что и в ламповом усилителе высокой частоты.

На рис. 192, б показана полная эквивалентная схема усилителя для переменного тока высокой частоты. При анализе работы усилителя целесообразно сопротивления и емкости цепей входа и выхода пересчитать в контур. Эквивалентная емкость контура С э является суммой емкости самого контура С к , представляющего собой последовательное соединение С, С 1 , С 2 , емкости С' вых - р 2 1 С в и емкости С' вх - р 2 2 С в ( рис. 192, в ).

Рис. 192. Резонансный усилитель высокой частоты: а — основная схема; б, в, г — эквивалентные схемы.

Добротность нагрузочного контура с учетом потерь, вносимых в него сопротивлениями R вх и R вых определяется по формуле

где Q э — добротность эквивалентного контура; r к — активные потери контура; — активные потери, вносимые в контур входным сопротивлением следующего каскада с учетом шунтирующего сопротивления делителя R' 1 и R' 2 ; — активные потери, вносимые в контур выходным сопротивлением транзистора; r э — потери эквивалентного контура; d э — затухание эквивалентного контура.

Так как r э = r к + r 1 + r 1 = d э ρ, то

Источник тока SU вх , заменяющий в эквивалентной схеме транзистор ( см. рис. 192, в ), подключенный автотрансформаторно к нагрузочному контуру, можно заменить эквивалентным источником тока Sp 1 U вх , полностью подключенным к контуру. Это осуществлено на эквивалентной схеме, представленной в окончательном виде на рис. 192, г. Напряжение на контуре U к определяется произведением тока Sp 1 U вх на полное сопротивление контура Z э :

U к = р 1 SU вх Z э = I к ρ. (366)

Напряжение на выходе усилителя высокой частоты на транзисторах U вых составляет часть напряжения на контуре, пропорциональную коэффициенту включения контура;

U вых = p 1 p 2 SU вх Z э .

Отсюда коэффициент усиления по напряжению

Так как р 1 и р 2 — постоянные величины, а крутизну S тоже можно считать не зависящей от частоты в пределах рассчитываемого диапазона, то нетрудно прийти к выводу, что с увеличением частоты настройки контура коэффициент усиления возрастает, поскольку уменьшается емкость переменного конденсатора контура.

Но одновременно с увеличением рабочей частоты увеличиваются вносимые в контур потери r 1 и r 2 за счет уменьшения R вх и R вых , поэтому эквивалентное затухание контура d э также возрастает. К концу диапазона возрастание коэффициента усиления может прекратиться и даже начать уменьшаться ( рис. 193 ).

Рис. 193. Зависимость коэффициента усиления, полосы пропускания и затухания контура усилителя на транзисторах от частоты.

Полоса пропускания усилителя связана с затуханием эквивалентного контура следующим соотношением:

Таким образом, с увеличением частоты настройки и ввиду увеличения при этом затухания контура полоса пропускания усилителя возрастает. При расчете усилителя высокой частоты на транзисторах значение d э на наинизшей рабочей частоте диапазона должно обеспечить заданную полосу пропускания усилителя 2ΔF. Тогда на остальных частотах диапазона полоса пропускания будет не меньше заданной. Однако величину d э не следует выбирать слишком малой, так как для этого придется выбирать и слишком малые значения коэффициентов включения контура р 1 и p 2 , что приведет к снижению усиления.

Определим теперь влияние этих коэффициентов на усилительные свойства каскада. Для удобства анализа приведем формулу (367) к более удобному виду:

Для того чтобы найти оптимальное значение коэффициента включения контура ри продифференцируем последнее выражение по рх и, приравняв производную нулю, найдем

Подставив это значение p 1опт в формулу (368), получим

Максимальный коэффициент усиления K р1 макс имеет место при р 2 = 1:

Аналогичным образом можно получить выражение для оптимального значения коэффициента включения контура Р 2опт

и для коэффициента усиления

Максимальный коэффициент усиления K р2 макс имеет место при р1 = 1:

При включении транзисторов по схеме с общим эмиттером и с общей базой R вых >R вх и K р1 макс > K р2 макс .

Таким образом, для получения наибольшего усиления следует применять полное включение контура (р 2 = 1) со входом следующего каскада и подбирать оптимальную связь р 1опт с выходом транзистора. Однако при этом резко ухудшаются избирательные свойства усилителя. Поэтому на практике часто применяют условие р 1 = 1, а р 2 <1. Это сопровождается некоторым снижением усиления, но зато избирательность усилителя повышается.

Для получения хорошей избирательности задаются условием р 1 <1 и р 2 < 1.

Такое подключение контура увеличивает стабильность настройки и усиления. При этом эквивалентная полная емкость контура С э = С +р 2 1 С вых + р 2 2 С вх в меньшей степени зависит от емкостей С вых и С вх , величины которых определяются режимом работы транзисторов.

Из-за наличия емкости С бк и проводимости g бк в усилителях возникает обратная связь, которая нарушает устойчивую работу усилительного каскада и может привести к его самовозбуждению. Для устранения этой обратной связи применяют различные схемы нейтрализации влияния и g бк . Наиболее распространенной является мостовая схема нейтрализации.

С помощью дополнительного отвода L 4 от контурной катушки и элементов схемы С н и R н (как было показано на рис. 192, а пунктиром) в схеме усилителя образуется мост ( рис. 194 ), который может быть уравновешен соответствующим подбором С н и R н . При балансе моста связь между входными и выходными цепями исчезает.