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:

Схема первой ступени QRP усилителя

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:

Первая ступень QRP усилителя

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:

Схема второй ступени QRP усилителя

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:

Вторая ступень QRP усилителя

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:

АЧХ второй ступени QRP усилителя в зависимости от использованного транзистора

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:

Схема третьей ступени QRP усилителя

И такой она получилась у меня:

Третья ступень QRP усилителя

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:

Freq [Mhz]   Output [dBm]   Output [W]
       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:

Freq [Mhz]   Zin [Ohm]   SWR 50 Ohm   SWR 25 Ohm
       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:

Freq [Mhz]   Power [dBm]   Power [W]
       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:

Freq [Mhz]   Power [dBm]   Power [W]
       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:

График КСВ усилителя для QRP трансивера

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.

Но есть, конечно, и недостатки. Во-первых, усиление на высокий частотах могло бы быть выше. Во-вторых, если вас интересует только телеграф, то для него могут быть применены более эффективные усилители класса C или D. И в-третьих, продукты интермодуляции в данном усилителе идут с уровнем -14 dBc. Это приемлемый уровень для QRP. Помех вне своей полосы вы создадите меньше, чем создают 100-ваттные трансиверы с уровнем IMD -25 dBc. И уж точно меньше, чем создают некоторые самодельные киловаттные усилители. Тем не менее, результат мог бы быть лучше.

Дополнение: Усилитель для QRP трансивера по схеме JBOT

Метки: , , .