Схема ВЧ усилителя управляемого напряжением

8 ноября 2021

Иногда нужно усилить ВЧ сигнал, но на сколько dB — либо нельзя сказать без экспериментов, либо необходимо определить во время работы устройства. В таких случаях удобно воспользоваться усилителем с переменным коэффициентом усиления (variable gain amplifier, VGA). Иногда такой усилитель называют усилителем с подстраиваемым усилением (gain adjustable amplifier). Когда хотят подчеркнуть тот факт, что усиление регулируется напряжением, а не механически и не по I2C/SPI, говорят, что это усилитель управляемый напряжением, УУН (voltage-controlled amplifier, VCA). УУН способен решать те же задачи, что и аттенюатор управляемый напряжением.

В радиолюбительской литературе можно найти много подобных схем. Вот рецепт усредненный:

Схема ВЧ усилителя управляемого напряжением

Здесь за основу взята схема усилителя с обратной связью. Идея заключается в регулировке усиления путем изменения сопротивления на эмиттере по ВЧ, в данном схеме — RV1. Для регулировки усиления при помощи напряжения можно применить PIN-диоды, обычные диоды, а также биполярные и полевые транзисторы. Вариант с обычным диодом изображен в правой части схемы.

Номиналы в схеме подбирают так, чтобы обеспечить изменение усиления в требуемом интервале, и при этом не сильно испортить согласование импеданса. В данном случае подбор осуществлялся при помощи LTspice на фиксированной частоте 14 МГц. Согласно модели, при значениях RV1 от 5 до 120 Ом как входной, так и выходной импеданс схемы будут в интервале примерно от 19 до 124 Ом, что означает КСВ ≤ 2.6. Усиление при этом меняется от 8 до 18 dB:

RV1 [Ohm]   Gain @ 14 Mhz [dB]   Rin [Ohm]   Rout [Ohm]
        5                18.0          19            53
       15                15.1          42            80
       25                13.3          61            83
       35                12.1          73            90
       45                11.1          84            94
       55                10.4          92            97
       65                 9.7          99           102
       75                 9.2         110           107
       85                 8.8         111           110
       95                 8.5         116           111
      120                 8.0         124           119

Давайте проверим:

Работа усилителя управляемого напряжением на анлизаторе спектра

Желтый график соответствует максимальному усилению, голубой — минимальному, а пурпурный — это где-то посередине. А вот возвратные потери, измеренные по входу:

Возвратные потери по входу усилителя управляемого напряжением

В худшем случае, когда усиление минимально, имеем КСВ ≈ 3 (голубой трейс). Для электрических цепей это неплохой результат. Линии здесь короткие и имеют незначительные потери. Поэтому переотражение энергии не является такой проблемой, как при передаче сигнала по коаксиальному кабелю на десятки метров. На крайняк можно поставить аттенюаторы 4 dB по входу и выходу. Получим хорошее согласование, хотя и при меньшем усилении в расчете на один транзистор.

Fun fact! Пара УУН с общим управляющим напряжением и упомянутыми аттенюаторами по входу, выходу и одним аттенюатором между ступенями обеспечат регулируемое усиление примерно от 4 до 22 dB при хорошем согласовании.

Выше показаны графики для схемы с механическим управлением. Для схемы управляемой напряжением графики качественно такие же, поэтому они не приводятся. Разница только в том, что можно получить еще меньшее усиление с еще более высоким КСВ.

Метки: , , .