Усилители управляемые напряжением на основе JFET

13 июня 2022

Ранее мы познакомились с простым УУН на биполярном транзисторе и даже реализовали АРУ по ВЧ на его основе. Но у этой схемы есть свои ограничения. В частности, диапазон возможных усилений одного УУН составляет лишь ~10 dB. Сегодня мы рассмотрим несколько альтернативных схем, основанных на транзисторах с управляющим PN-переходом (JFET).

В радиолюбительской литературе можно найти больше одного УУН на JFET. Мне понравились схемы, предложенные в статье The Hybrid Cascode — A General Purpose AGC IF Amplifier [PDF], авторы Wes Hayward, W7ZOI и Jeff Damm, WA7MLH. Дальше я расскажу, как пытался воспроизвести некоторые из этих схем, и что их этого вышло.

Каскодный усилитель

Авторы предлагают начать со следующей схемы:

Схема каскодного усилителя на JFET

Это называется каскодный усилитель, или каскод (cascode). Каскод может быть выполнен на радиолампах, биполярных транзисторах, и других активных компонентах. В данном случае имеем каскод на JFET.

По большому счету, это обычный усилитель на J1. Транзистор J2 позволяет контролировать ток через J1, благодаря чему изменяется усиление. Пять диодов 1N4148 обеспечивают положительное напряжение на истоке J1 (см шпаргалку по JFET). Входной импеданс усилителя задается в основном Rin. Для согласования с 50 Ом применена LC-схема (Lin, Cv). Выходной импеданс усилителя высокий. Для согласования с 50 Ом применен трансформатор на кольце FT37-43.

Vs управляющего транзистора при Vg = 0 составляет около 6.5 В. Vs будет немного увеличиваться по мере открытия транзистора, но не сильно. Соответственно, имеем Vgs = -6.5 В. Когда Vg увеличивается, Vgs также увеличивается, в сторону нуля, значит ток через транзистор растет (опять же, см шпаргалку по JFET). То есть, чем больше управляющее напряжение, тем больше усиление.

Вместо транзисторов J310 я использовал J111. Ранее мы убедились, что эти транзисторы примерно эквивалентны. Для согласования 50 Ом с 2200 Ом на частоте 9 МГц (популярный выбор ПЧ) Cv должен быть 52.7 пФ. Не уверен, почему авторы рекомендуют 42 пФ. Либо это опечатка, либо они учли паразитные эффекты в цепи. Так или иначе, был использован подстроечный конденсатор на 50 пФ. В теории, можно обойтись и без подстроечника, но с ним удобнее. Lin был намотан в 30 витков на кольце T68-2.

При измерении усилителя анализатором спектра видим следующее:

Усиление каскодного усилителя на JFET

Схема питается от 13.8 В. Максимальное усиление составило 8.6 dB при управляющем напряжении 10 В. При напряжении 0 В получаем усиление -6.1 dB. См желтый и бирюзовый трейсы соответственно. Пурпурный трейс — для напряжения 3 В.

Итого, здесь мы можем регулировать усиление в интервале 14.5 dB, что уже лучше УУН на биполярном транзисторе. Кроме того, усилитель имеет КСВ ≤ 2 по входу при любом значении управляющего напряжения.

Дабы не повторяться, скажу, что все рассмотренные схемы питаются от 13.8 В и всегда имеют КСВ ≤ 2 по входу. Кроме того, в отсутствие питания все они обеспечивают 50+ dB изоляции между входом и выходом. Чтобы избежать искажений, при максимальном усилении на вход должно подаваться ≤ -30 dBm. Это знание позволяет определить, в какой момент детектор должен снижать управляющее напряжение при реализации АРУ.

Гибридный каскод

J2 может быть заменен биполярным транзистором:

Схема гибридного каскода

Поскольку в схеме теперь используется два разных активных компонента, говорят, что это гибридный каскод.

Схема дает большой диапазон возможных усилений:

Усиление гибридного каскода

Желтый график соответствует управляющему напряжению 11.6 В, пурпурный — 6 В, бирюзовый — 3 В. При управляющием напряжении 2 В усиление падает ниже -45 dB. Еще одно преимущество схемы состоит в том, что ей нужен только один JFET. Последние дороже биполярных транзисторов.

Упрощенный гибридный каскод

Гибридный каскод можно упростить:

Схема упрощенного гибридного каскода

Качественно схема работает так же, как и предыдущая:

Усиление упрощенного гибридного каскода

Желтый график соответствует управляющему напряжению 12 В, пурпурный — 4 В, бирюзовый — 2 В. При управляющием напряжении 1 В усиление падает ниже -45 dB. Эта схема чуть хуже согласована по входу, но с практической точки зрения это ни на что не влияет.

Зато, в отличие от предыдущих схем, она мало зависит к напряжения питания. Если снизить Vcc с 13.8 В до 9.0 В, максимальное усиление упадет на 3 dB. Все остальные свойства останутся неизменными. Это особенно полезно, если вы делаете портативный трансивер, питаемый от аккумулятора.

Заключение

Если вы нашли эту информацию полезной, рекомендую прочитать оригинальную статью [PDF]. В ней рассказывается, как обойтись без диодов в последней схеме и как последовательно соединить несколько усилителей. Приводится полная схема АРУ с детектором. UPD: См также дополнительные материалы к статье, в том числе errata.

Также вас может заинтересовать статья Adding AGC to a Termination Insensitive Amplifier [PDF], написанная Wes Hayward, W7ZOI. Из статьи вы узнаете, как встроить упрощенный гибридный каскод в двунаправленный усилитель. Идеи из этой статьи ранее использовались в посте Двунаправленный ВЧ усилитель управляемый напряжением.

Метки: , , .