Двунаправленный ВЧ усилитель на транзисторах 2N3904

24 мая 2021

Статья A Termination Insensitive Amplifier for Bidirectional Transceivers [PDF] за авторством Wes Hayward, W7ZOI и Bob Kopski, K3NHI, описывает любопытную схему ВЧ усилителя. Схема интересна как минимум по той причине, что способна усиливать как сигналы, проходящие с порта IN на порт OUT, так и с порта OUT на порт IN. Также усилитель обладает другими полезными свойствами.

Вот схема:

Схема двунаправленного ВЧ усилителя

Все транзисторы — 2N3904. Верхняя и нижняя части схемы идентичны.

Перед нами два усилителя, работающих в противоположных направлениях и соединенные параллельно. При подаче питания на 12V_Right работает верхний усилитель, при подаче на 12V_Left — нижний. Номиналы R1, Rf и Rd определяют усиление:

R1 [Ohm]   Rf [Ohm]   Rd [Ohm]   Gain [dB]
     330        270         27         7.2
     330        390         22        10.8
     330        510         18        13.4
     330        680         15        15.7
     330       1000         10        19.3
     330       1800          5        24.3
     470        620         20        15.1
     470       1500         10        22.6

Усиление верхного и нижнего усилителя может быть различным. На работе схемы это не сказывается.

Рассмотрим один из усилителей, для определенности пусть будет верхний. Это усилитель с обратной связью, нагруженный на R1. Параллельно с R1 включен эмиттерный повторитель на паре Дарлингтона. Он имеет практически единичное усиление, высокий входной импеданс и выходной импеданс, определяемый последовательно включенным резистором 47 Ом. Другими словами, это буфер.

Благодаря обратной связи усилитель имеет гладкую АЧХ на частотах до 30 МГц. Схема имеет лучшую изоляцию при обратном включении, чем простой усилитель с обратной связью. За счет этого мы и можем построить двунаправленный усилитель. Также усилитель не обладает «прозрачностью» в отношении входного и выходного импеданса. Его можно нагрузить хоть на КЗ, при этом входной импеданс останется ~50 Ом. Платить за все это приходится более высоким коэффициентом шума, более высоким потреблением тока, а также большим числом компонентов.

В качестве эксперимента было решено сделать усилитель с расчетным усилением ~22 dB, с номиналами R1, Rf и Rd из последней строчки в таблице:

Самодельный двунаправленный усилитель на транзисторах 2N3904

АЧХ получилась куда более гладкой, чем у аналогичного простого усилителя с обратной связью:

АЧХ двунаправленного усилителя

А таким получился график КСВ:

График КСВ двунаправленного усилителя

От нагрузки график никак не зависит. Изоляция в случае, когда оба усилителя обесточены, составляет 35+ dB на частотах до 30 МГц. Изоляция схемы при обратном включении, когда один из усилителей запитан, составляет 45+ dB. Точка компрессии по входу на 14 МГц и составила -12.5 dBm. При питании от 13.8 В схема потребляет 31 мА.

Двунаправленные усилители находят применение в супергетеродинных SSB-трансиверах. В качестве примера см схему uBITX. Однонаправленная половинка схемы может быть использована в качестве буфера для диодного кольцевого смесителя, либо как усилитель в приемном или передающем тракте трансивера. В схеме не используются Amidon’овские ферритовые кольца. Что есть плюс в плане повторяемости, поскольку не во всех странах эти кольца легко купить.

Метки: , , .