Широкополосный усилитель KB диапазона
Широкополосный усилитель KB диапазона
Рассматриваемый в статье усилитель — двухтактный на полевых транзисторах с р-n переходом — автор предлагает использовать в приёмных трактах любительской KB аппаратуры. Он провёл расчёт усилителя, изготовил и испытал его макет, не только убедившись в работоспособности, но и измерив основные параметры.
На рисунке изображена схема предлагаемого к рассмотрению двухтактного линейного УРЧ с отрицательной обратной связью на основе широкополосных трансформаторов на длинной линии. Он содержит входной трансформатор Т1 и собственно двухтактный усилитель на полевых транзисторах VT1 и VT2, включённых по схеме с общим затвором. Группы по К соединённых последовательно обмоток выходного трансформатора Т2 (1.1—I.К и 11.1—II.К) включены в цепи стоков транзисторов, III и IV — обмотки отрицательной обратной связи. К группе из N соединённых последовательно обмоток V.1— V.N подключена нагрузка усилителя, условно представленная на схеме резистором RH.
Конденсаторы С1, С4 и С5 предназначены для компенсации индуктивности рассеяния трансформаторов Т1 и Т2. Их устанавливают при необходимости.
Расчёт усилителя
Необходимые для самостоятельного расчёта усилителя формулы приведены на сайте журнала, где размещена полная версия этой статьи (ftp://ftp.radio.rn/ pub/2011/...)- Как следует из расчёта, свойства рассматриваемого усилителя определяются, прежде всего, характеристиками трансформатора 12. Особенности и характеристики многообмоточных широкополосных трансформаторов впервые подробно описаны в [1] (главы "Индуктивно связанные цепи" и "Линии передачи энергии"). Не желая утруждать читателя страницами, насыщенными графиками, дифференциальными уравнениями и формулами, проще повторить, что с учётом прямых и перекрёстных обратных связей параметры усилителя описываются выведенными автором формулами.
Поскольку в них не входят никакие параметры транзисторов, может создаться впечатление, что в рассматриваемом усилителе нелинейные и интермодуляционные искажения не возникнут никогда. Но это не совсем верно. Ведь при расчётах мы пренебрегли зависимостью параметров полевых транзисторов (прежде всего, переходной проводимости) от амплитуды усиливаемых сигналов.
В отличие от однотактного усилителя на полевом транзисторе, включённом по схеме с общим затвором (усилитель типа D в [2, с. 68—71]), рассматриваемый усилитель охвачен отрицательной, так называемой Х-обратной связью. Это улучшает отношение сигнал/шум и обеспечивает наибольшую полосу усиливаемых частот. Кроме того, увеличивается верхняя граница линейности. Протяжённость линейного участка передаточной характеристики получается в 2RBXY21=10 раз больше характерной для усилителя типа D, где Y21 — переходная проводимость (крутизна сток-затворной характеристики) транзистора. Для дальнейшего расширения протяжённости линейного участка можно использовать транзисторы с большей крутизной характеристики или соединять параллельно по несколько транзисторов в каждом плече.
Поскольку два плеча усилителя работают в противофазе, на его выходе полезные сигналы складываются арифметически, а шумы транзисторов VT1 и VT2 — в квадратуре. Как уже указывалось, значительно (на 20 дБ по сравнению с однотактными усилителями) увеличивается верхняя граница динамического диапазона.
В силу симметрии схемы происходит подавление чётных гармоник, что приводит и к ослаблению продуктов интермодуляции с частотами 2f1±f2 и 2f2±f1 но нечётные гармоники присутствуют и даже несколько усиливаются. Успокаивает то, что амплитуды третьей и пятой гармоник меньше, чем второй и четвёртой соответственно.
Практика показала, что усилитель чрезвычайно стабилен, устойчив к рассогласованию источника сигнала и нагрузки, не требует дополнительных средств (ферритовых колец, дросселей, антипаразитных резисторов) для сохранения устойчивости.
При практическом использовании усилителя следует помнить, что он обладает свойством обратной передачи сигнала с коэффициентом Gобр=0,8/Gпр, где Gnp — соответствующий коэффициент передачи в прямом направлении. Это свойство (присущее многим усилителям РЧ) необходимо учитывать при согласовании усилителя с источником сигнала и нагрузкой.
Задача каждого радиолюбителя, пожелавшего повторить этот широкополосный усилитель, заключается в обоснованном выборе коэффициентов К и N, определяющих коэффициент усиления и отношение входного сопротивления к сопротивлению нагрузки.
Конструкция и детали
Для проверки характеристик усилителя был собран его макет. Использовались транзисторы КП903А без предварительной проверки их идентичности по крутизне характеристики и начальному току стока, проверялась только общая работоспособность. Естественно, применение отобранных транзисторов (при наличии такой возможности) может лишь улучшить параметры усилителя.
Номинал резистора R1 (56 Ом) выбран из условия общего тока потребления 80...85 мА. В собранном макете установлен резистор мощностью 0,5 Вт, при этом его температура при естественной циркуляции воздуха поднимается до 70 °С. Если плата усилителя будет помещена в закрытый корпус, мощность этого резистора следует увеличить до 1...2Вт. Кроме того, для повышения надёжности транзисторы VT1, VT2 нужно снабдить теплоотводами площадью 3...4 см2, смазав плоскости теплового контакта пастой КТП-8.
Самый сложный элемент — широкополосный трансформатор Т2, от качества его изготовления зависит равномерность АЧХ усилителя. Для магнитопро-вода этого трансформатора было выбрано кольцо типоразмера К10x6x4 из феррита N87 (.u=2200) фирмы Epcos.
Число витков обмоток — три. Оно выбрано из условия обеспечения горизонтальности АЧХ от 1,8 до 35 МГц.
Все обмотки намотаны одновременно жгутом из десяти сложенных вместе без перехлестов проводов ПЭЛШО диаметром 0,2 мм (для усилителя с коэффициентом передачи по мощности Gp=4) или из 21 таких же проводов (для усилителя с Gp=9). Провода свиты с шагом 1,5 скрутки на сантиметр длины. Для минимизации индуктивности рассеяния жгут должен плотно прилегать к магнитопроводу, а его витки равномерно распределены по окружности кольца.
Соединение обмоток, согласно схеме, производят непосредственно у трансформатора. Длина соединяемых выводов не должна превышать 5 мм. Для уменьшения вероятности ошибок выводы желательно пронумеровать, например, приклеив к ним бирки с указанием номера обмотки и признаком её начала или конца.
Трансформатор Т1 намотан на таком же магнитопроводе тем же проводом и по той же методике, что и Т2. Число проводов в жгуте — три, число витков — четыре.
Налаживание усилителя
Налаживание заключается в проверке правильности соединения обмоток трансформаторов и установке тока потребления. При неправильном соединении обмоток трансформатора Т2 может наблюдаться самовозбуждение на частоте в пять-шесть раз выше верхней границы рабочего диапазона частот.
Результаты измерений
Все характеристики собранного макета широкополосного УВЧ с достаточной точностью соответствовали расчётным. Без конденсаторов С1, С4, С5 получена АЧХ, равномерная от 1,8 до 35 МГц. При необходимости расширить её в сторону высоких частот конденсаторы можно установить, подобрав их ёмкость по максимуму усиления на частоте 45...50 МГц.
Собственный шум усилителя проверялся в диапазонах 7 и 14 МГц с помощью KB приёмника с входным сопротивлением 75 Ом. При зашунтированном резистором 75 Ом входе приёмника с отключённой АРУ на его низкочастотном выходе было измерено напряжение собственного шума приёмника UШ1. Затем между входом приёмника и резистором был включён исследуемый усилитель и измерено напряжение шума Uш2. Коэффициент шума усилителя F в децибелах рассчитывался по формуле
В обоих случаях (для вариантов усилителя с коэффициентами передачи по напряжению Gu=2 и Gu=3) коэффициент шума был в интервале 1,5...2 дБ.
При подаче на вход усилителя одно-тонового и двухтонового испытательных сигналов амплитудой до 1 В не удалось обнаружить искажений сигнала на его выходе. Оценка искажений проводилась на основании анализа этого сигнала, оцифрованного двухка-нальным 14-разрядным АЦП с частотой квантования 80 МГц и записанного в компьютерный файл. Спектр вычислялся с помощью преобразования Фурье.
Результаты измерения значений напряжения в различных точках усилителя позволяют предположить, что интермодуляционные искажения или ограничение могут возникнуть при амплитуде входного сигнала более 1,5 В на высокочастотных и около 2 В на низкочастотных KB диапазонах.
ЛИТЕРАТУРА
1. MclLwain К., Brainerd J. High Frequency Alternating Currents. — London & New York, University of Pennsylvania, 1931.
2. Ред Э. Справочное пособие по высокочастотной схемотехнике. Перевод с немецкого. — М.: Мир, 1990.
Радио 8-11 с.62-63