Высокочастотные усилители с обратной связью

14 декабря 2020

Усилители с обратной связью (feedback amplifiers) используются для усиления ВЧ сигналов, когда требуется широкая полоса, контролируемое усиление, а также стабильный входной и выходной импеданс схемы. Такие усилители хорошо описаны в «Experimental Methods in RF Design» и активно используются на протяжении всей книги. Давайте разберемся, как их рассчитывать, а также какими свойствами, помимо уже названных, они обладают.

К прочим плюсам относится высокая стабильность при работе в каскаде из нескольких усилителей. Главных недостатка у усилителей с обратной связью два. Во-первых, они «прозрачны» в том смысле, что входной импеданс зависит от импеданса нагрузки, а выходной импеданс зависит от импеданса источника сигнала. Во-вторых, их коэффициент шума (noise figure) выше по сравнению с усилителями без обратной связи.

Усилители с обратной связью — это класс усилителей, а не конкретная схема. «Experimental Methods in RF Design» суммарно приводит с десяток возможных схем. Мы сосредоточимся лишь на одной, наиболее универсальной и часто используемой в книге:

Схема усилителя с обратной связью (feedback amplifier)

Модель для LTspice можно скачать здесь.

Перед нами усилитель класса А. Усилитель рассчитывается так, чтобы его выходной импеданс был около 200 Ом. Затем этот импеданс приводится к 50 Ом с помощью трансформатора 4:1. Это позволяет добиться хорошего усиления при небольших токах. Минусом схемы является тот факт, что трансформатор ограничивает полосу усилителя. Если требуется усилитель на частоты 1.8-29.7 МГц, то это не будет проблемой. Но аналогичная схема с выходным импедансом 50 Ом позволяет делать усилители, работающие на частотах до нескольких ГГц.

Большинство резисторов в схеме задают напряжения и токи смещения. Исключением являются R4 и R7. От их выбора зависит входной и выходной импеданс схемы, а также усиление. Рассмотрим результаты моделирования:

Q1 = 2N3904, Rs = 50 Ohm, Rl = 200 Ohm, Ie = 20 mA

R4 [Ohm]   R7 [Ohm]   Gain @ 14 MHz [dB]
       6       1300                 21.1
       8       1100                 19.5
       9       1000                 18.7
      10        910                 17.9
      11        820                 17.0
      12        750                 16.3
      13        680                 15.5
      15        620                 14.5
      16        560                 13.8
      18        510                 12.8
      20        470                 12.0
      22        430                 11.1
      24        390                 10.2
      27        360                  9.3
      30        330                  8.4
      33        300                  7.4
      36        270                  6.4
      39        240                  5.2
      43        220                  4.3
      47        200                  3.2
      51        180                  2.0

Для хорошего согласования импеданса должно выполняться условие:

(R4 + 0.026/Ie)*R7 ≈ Rs*Rl

Здесь Rs и Rl — импеданс источника и нагрузки, в нашем случае 50 Ом и 200 Ом. Ie — это ток эмиттера. Он выбирается в зависимости от использованного транзистора и того, что мы хотим получить. При определенном Ie транзистор может иметь минимальный коэффициент шума или максимальный fT.

Подробности нужно смотреть в даташите на конкретный транзистор или искать экспериментально. Выбранные здесь 20 мА являются неплохим значением для 2N3904. Усиление вычисляется по достаточно сложной формуле. Узнать его проще всего при помощи LTspice. В таблице выше приведено усиление на 14 МГц в зависимости от R4 и R7 без учета потерь на трансформаторе. В реальности значения из правой колонки будут на ~10% ниже.

Входной импеданс усилителя может быть определен, как отношение напряжения RMS к току RMS на входе. Это в предположении, что ток и напряжение находятся в фазе, иначе импеданс имеет реактивную составляющую. Для приведенной выше схемы на 14 МГц имеем:

>>> from math import sqrt
>>> Vrms = 0.131/sqrt(2)
>>> Irms = 0.0035/sqrt(2)
>>> Vrms/Irms
37.42857142857142

Выходной импеданс можно определить, нагрузив усилитель на R1, а затем на R2, измерив при этом амплитуду выходного сигнала V1 и V2:

>>> R1 = 75
>>> V1 = 0.492
>>> R2 = 50
>>> V2 = 0.400
>>> Z = (R1 - R1*(V1/V2)) / (V1/V2 - R1/R2)
>>> Z
63.888888888888886

Здесь использована модель с директивой K1 L1 L2 0.97, то есть, уже учитывающая потери на трансформаторе. Методом подгона было определено, что при коэффициенте 0.97 модель очень похожа на реальный усилитель.

К слову о реальном усилителе, у меня он вышел таким:

Самодельный усилитель с обратной связью

Здесь R4 = 6.2 Ом, R7 = 1200 Ом, как на схеме. Из имевшихся в наличии резисторов это были ближайшие значения к расчетным 6 Ом и 1300 Ом, как в табличке.

Возвратные потери на частотах 1.8-27.9 МГц оказались 16 дБ или больше, что соответствует КСВ < 1.4. Отключение эквивалента нагрузки от усилителя портит КСВ, что подтверждает его прозрачность. Выходной импеданс был измерен при помощи двух нагрузок, как описано выше, и на 14 МГц составил 68 Ом.

Домашнее задание: Определить входной и выходной импеданс двух усилителей из статьи Простой CW-передатчик на диапазон 40 метров. Повторите для модели из этой статьи и сравните результаты. Каков ваш вывод?

АЧХ усилителя получилась следующей:

АЧХ усилителя с обратной связью

Насколько хорош данный результат определяется решаемой задачей. Если требуется получить менее наклонную АЧХ, необходимо использовать транзистор с большим fT и/или схему без трансформатора с выходным сопротивлением 50 Ом. Измеренное потребление тока усилителем составило 22 мА. Изоляция портов обесточенного усилителя — 15+ дБ на частотах до 30 МГц как при прямом, так и при обратном включении. Изоляция запитанного усилителя при обратном включении составила 22+ дБ.

В качестве дополнительных материалов для самостоятельного изучения рекомендую следующие статьи, написанные Wes Hayward, W7ZOI:

Схема может быть применена в трансивере, как усилитель сигнала в приемном тракте или в первых ступенях усилителя предающего тракта. За счет хорошей изоляции схема пригодна, как буфер на выходе диодного кольцевого смесителя. В связи с прозрачностью усилителя в таком сценарии на его выходе ставится аттенюатор 6 дБ. Это создает видимость нагрузки 50 Ом, даже когда она такой не является, как в случае с фильтром вне его полосы пропускания. Вместе с самодельным генератором шума усилитель можно использовать для измерения АЧХ фильтров.

Дополнение: Измеряем параметры усилителей с помощью анализатора спектра и генератора сигналов

Метки: , , .