Схема ВЧ усилителя управляемого напряжением
Иногда нужно усилить ВЧ сигнал, но на сколько dB – либо нельзя сказать без экспериментов, либо необходимо определить во время работы устройства. В таких случаях удобно воспользоваться усилителем с переменным коэффициентом усиления (variable gain amplifier, VGA). Иногда такой усилитель называют усилителем с подстраиваемым усилением (gain adjustable amplifier). Когда хотят подчеркнуть тот факт, что усиление регулируется напряжением, а не механически и не по I2C/SPI, говорят, что это усилитель управляемый напряжением, УУН (voltage-controlled amplifier, VCA). УУН способен решать те же задачи, что и аттенюатор управляемый напряжением.
В радиолюбительской литературе можно найти много подобных схем. Вот рецепт усредненный:
Здесь за основу взята схема усилителя с обратной связью. Идея заключается в регулировке усиления путем изменения сопротивления на эмиттере по ВЧ, в данном схеме – RV1. Для регулировки усиления при помощи напряжения можно применить PIN-диоды, обычные диоды, а также биполярные и полевые транзисторы. Вариант с обычным диодом изображен в правой части схемы.
Номиналы в схеме подбирают так, чтобы обеспечить изменение усиления в требуемом интервале, и при этом не сильно испортить согласование импеданса. В данном случае подбор осуществлялся при помощи LTspice на фиксированной частоте 14 МГц. Согласно модели, при значениях RV1 от 5 до 120 Ом как входной, так и выходной импеданс схемы будут в интервале примерно от 19 до 124 Ом, что означает КСВ ≤ 2.6. Усиление при этом меняется от 8 до 18 dB:
RV1 [Ohm] Gain @ 14 Mhz [dB] Rin [Ohm] Rout [Ohm]
5 18.0 19 53
15 15.1 42 80
25 13.3 61 83
35 12.1 73 90
45 11.1 84 94
55 10.4 92 97
65 9.7 99 102
75 9.2 110 107
85 8.8 111 110
95 8.5 116 111
120 8.0 124 119
Давайте проверим:
Желтый график соответствует максимальному усилению, голубой – минимальному, а пурпурный – это где-то посередине. А вот возвратные потери, измеренные по входу:
В худшем случае, когда усиление минимально, имеем КСВ ≈ 3 (голубой трейс). Для электрических цепей это неплохой результат. Линии здесь короткие и имеют незначительные потери. Поэтому переотражение энергии не является такой проблемой, как при передаче сигнала по коаксиальному кабелю на десятки метров. На крайняк можно поставить аттенюаторы 4 dB по входу и выходу. Получим хорошее согласование, хотя и при меньшем усилении в расчете на один транзистор.
Fun fact! Пара УУН с общим управляющим напряжением и упомянутыми аттенюаторами по входу, выходу и одним аттенюатором между ступенями обеспечат регулируемое усиление примерно от 4 до 22 dB при хорошем согласовании.
Выше показаны графики для схемы с механическим управлением. Для схемы управляемой напряжением графики качественно такие же, поэтому они не приводятся. Разница только в том, что можно получить еще меньшее усиление с еще более высоким КСВ.
Дополнение: Схема нашла применение в трансивере HBR/MK2. См также статьи Двунаправленный ВЧ усилитель управляемый напряжением и Усилители управляемые напряжением на основе JFET.