Усилитель для QRP трансивера: работа над ошибками
8 февраля 2021
Усилитель, ранее использованный в самодельном CW трансивере, оставляет желать лучшего. Он пригоден только для телеграфа и рассчитан на единственный КВ-диапазон. Не говоря уже о таких мелочах, что согласование импеданса в нем непонятно какое. Пришло время сделать усилитель получше.
Полную схему усилителя можно скачать здесь [PDF]. Усилитель состоит из трех ступеней. Рассмотрим их по очереди.
Первая ступень должна показаться вам знакомой:
Это усилитель с обратной связью приблизительно на 20 dB. Вместо транзистора 2N3904 был опробован 2N2222. Свойства усилителя от этого не изменились. Хорошим дизайном будет использовать 2N2222 в металлическом корпусе, поскольку транзистор заметно греется.
Впрочем, обычный транзистор в корпусе TO-92 тоже справляется:
Эта ступень имеет входной и выходной импеданс около 50 Ом (КСВ не хуже 1.6) на частотах до 30 МГц. Точка компрессии и все остальные свойства примерно такие же, как у версии на 2N3904.
Схема второй ступени была подсмотрена у Paul Taylor, VK3HN:
Если вы будете тестировать эту ступень в виде отдельного модуля, не забудьте конденсаторы на 0.1 мкФ на входе и на выходе, как на предыдущей схеме.
Приведенная схема в моем исполнении:
Снова усилитель с обратной связью. Качественно эта ступень похожа на первую. Она имеет похожее усиление, почти такую же точку компрессии, и так далее. Но ток покоя выше, и АЧХ немного другая:
Пурпурный график соответствует транзистору BD139, который Paul использовал в своем усилителе. Желтый график соответствует той же схеме, но с 2N2219A. Данный транзистор дороже, зато имеет fT = 300 МГц, против 190 МГц у BD139.
Если вы делаете трансивер на частоты до 7 МГц, то здесь во всех смыслах выгоднее использовать BD139. Если же требуется усиление на более высоких частотах, используйте 2N2219A. Независимо от выбора транзистора используйте радиатор и запитывайте ступень только при работе на передачу.
Вторая ступень имеет входной и выходной импеданс порядка 25 Ом, с некоторой реактивностью. При этом в целом в усилителе достигается лучшее согласование импеданса, чем при использовании «правильной» ступени на 50 Ом. Этот момент был проверен экспериментально, а также будет объяснен далее по тексту.
Третья ступень:
И такой она получилась у меня:
Эта схема из статьи Простой усилитель 5 Вт на основе IRF510 с некоторыми доработками. RV1 был замен на потенциометр 10 кОм, а C12 — на конденсатор 220 мкФ, 25 В. Кольцо в выходном трансформаторе было заменено на FT50-43. Это позволило использовать более толстую проволоку диаметром 0.6 мм. Радиатор был заменен на более подходящий для задачи, Kinsten HS 151-30.
Выходная мощность ступени при питании 13.8 В, токе покоя 15.5 мА и сигнале на входе 23 dBm:
1.8 35 3.1
3.5 38 6.3
7.0 38 6.3
10.0 37 5.0
14.0 36 4.0
18.1 34 2.5
Ранняя версия усилителя была менее широкополосной.
Денис Тимофеев в комментариях к предыдущей статье подсказал, как посчитать входной импеданс данного усилителя. R11 по переменке соединен на землю через конденсаторы C7 и C11. Также он соединен параллельно с некоторым импедансом IRF510. Последний в основном приходится на емкость затвора, Ciss = Cgs + Cgd. Нас интересует сумма Cgs и Cgd, потому что по переменке оба соединены на землю. В сущности, они представляют собой два параллельно соединенных конденсатора. Открываем даташит [PDF] на IRF510 и находим «Figure 11. Capacitance vs Drain to Source Voltage». Из графика мы узнаем, что при Vds = 13.8 В значение Ciss составляет ~180 пФ. Отсюда мы можем вычислить импеданс транзистора на заданной частотае по формуле 1/(2*pi*F*Ciss), а значит и входной импеданс усилителя:
1.8 83 1.7 3.3
3.7 71 1.4 2.8
7.1 55 1.1 2.2
10.1 47 1.1 1.9
14.2 38 1.3 1.5
18.1 33 1.5 1.3
21.2 29 1.7 1.2
24.9 26 1.9 1.0
29.7 23 2.2 1.1
Теперь понятно, почему входной и выходной импеданс во второй ступени выгоднее иметь ~25 Ом. На низких частотах согласование хуже, но и усиление выше. На высоких частотах мы имеем меньшее усиление, но и согласование лучше. Так происходит сглаживание общей АЧХ усилителя. Плюс не до конца понятный эффект оказывает «прозрачность» усилителей с обратной связью в плане входного и выходного импеданса.
Итоговое усиление трех ступеней при -20 dBm на входе:
1.8 35.6 3.6
3.7 38.1 6.4
7.1 38.9 7.7
10.1 38.5 7.1
14.2 36.7 4.7
18.1 34.3 2.7
21.2 32.0 1.6
24.9 29.1 0.8
29.7 25.4 0.3
Усиление при -17 dBm на входе:
1.8 35.6 3.6
3.7 38.0 6.3
7.1 39.0 7.9
10.1 39.2 8.3
14.2 38.3 6.8
18.1 36.3 4.3
21.2 34.6 2.9
24.9 32.0 1.6
29.7 28.5 0.7
Первая ступень имеет ток покая 27 мА, вторая — 41 мА, у третьей ток покая был выставлен в 89 мА. Поигравшись с последним можно добиться и большего усиления. При питании от 13.8 В и сигнале на входе с частотой 10.1 МГц и уровнем -17 dBm усилитель потребляет ~1.1 А. Отсюда имеем эффективность ~55%. Это не самый плохой показатель для класса AB.
Fun fact! В эфире мало кто сможет заметить разницу между 5 Вт (37 dBm) и 1.5 Вт (32 dBm), поскольку она менее одного деления на S-метре (6 dB). А разница между 10 Вт (40 dBm) и 5 Вт (37 dBm) еще меньше. Правда, нужно учитывать потери в кабеле, идущем к антенне. Эти потери зависят от частоты.
График КСВ усилителя вышел таким:
Уровень выходного сигнала антенного анализатора EU1KY как раз составляет около -20 dBm. Видим КСВ не хуже 1.6 на всем интервале 1.8-29.7 МГц, и не хуже 1.2 на интервале 3.7-18.1 МГц.
Приведенная схема подкупает своей простотой и надежностью. В ней отсутствуют редкие или дорогие компоненты. С таким усилителем вы проведете радиосвязи на любом диапазоне от 160 до 10 метров. Будучи усилителем класса AB, он подходит как для телеграфа, так и для SSB.
Дополнение: Вас также могут заинтересовать статьи Усилитель 10 Вт на транзисторах IRF510, Широкополосный QRP усилитель на RD15HVF1, Широкополосный QRP усилитель класса C на RD15HVF1, и далее по ссылкам.
Метки: Беспроводная связь, Любительское радио, Электроника.
Вы можете прислать свой комментарий мне на почту, или воспользоваться комментариями в Telegram-группе.