Проектиране на вериги. Усилватели на високи честоти
Общоприето е, че разработването на високочестотни усилватели е много по-трудна задача от разработването на нискочестотни усилватели. Всъщност в този случай е необходимо да се вземат предвид много по-голям брой различни електромагнитни ефекти и процеси във веригите. Но често се оказва, че реалната схемна реализация на такъв усилвател рядко се отклонява от някаква шаблонна структура. Въпросът тук е, че при проектирането на високочестотни усилватели те се стремят преди всичко да не увеличават изходната мощност при минимизиране на линейните и нелинейните изкривявания, а да постигнат максимална чувствителност и висока стабилност на каскадата в широк честотен диапазон, т.е. изискванията за високочестотни усилватели обикновено са много различни от тези за нискочестотни усилватели.
Типична структура на високочестотен усилвател е последователно свързване на три връзки: връзка за съвпадение на входа (това обикновено са доста прости LCLC вериги, които въвеждат минимални загуби, осигуряват координация с предходния етап и грубо оформят честотната характеристика), главната усилваща връзка (транзистор, свързан с OE, OB или OK, вероятно с вътрешностъпален OOS, осигуряващ стабилност и широк динамичен диапазон в широк честотен диапазон), изходен филтър, който накрая формира честотната характеристика на каскадата и осигуряването на съвпадение на нейния изход (тук могат да се използват доста сложни LCLC филтри, SAW филтри, пиезокерамични, кварцови филтри и др.). Междукаскадното свързване във високочестотните усилватели обикновено се извършва с помощта на капацитети, свързани индуктивности или високочестотни широколентови трансформатори (тук умишлено пропускаме проблемите с дизайна на интегралните схеми).усилватели, това е напълно отделна тема и ще бъде обсъдено по-късно). Нека разгледаме по ред причините, които толкова строго регулират описаната структура на усилващия етап.
Различните схеми за превключване на транзистори (OE, OB, OK) имат различни входни и изходни параметри (кои ще анализираме по-късно). За високочестотните усилватели въпросите за съгласуване на каскадите на входа и изхода се оказват важни (с увеличаване на честотата става все по-важно, а за микровълновите усилватели по принцип е задължително). Липсата на съвпадение води до увеличаване на изкривяването на сигнала, неговото отразяване обратно към входа на предишния етап, поради което общото усилване на веригата намалява и най-важното - до увеличаване на нестабилността на веригата, което може да доведе до нейното самовъзбуждане. За да се избегнат всички тези ефекти, при проектиране на високочестотни вериги се вземат специални мерки засъгласуване на импедансите, т.е. изходният импеданс на първия етап трябва да бъде равен на (или в екстремни случаи трябва да бъде по-нисък от) входния импеданс на следващия етап (имайте предвид, че за нискочестотни усилватели, като се има предвид необходимостта от повишена ефективност, ние обикновено се стремим входният импеданс на етапа на усилвателя да бъде много по-висок от изходния импеданс на предишния етап). Именно за съгласуване на импедансите на входа на високочестотната каскада трябва да се включат специални вериги. Също така отбелязваме, че не е обичайно да се включват филтри, които са твърде сложни, внасяйки достатъчно високи загуби на входа на високочестотните усилващи етапи (освен ако това не са крайни етапи). Вече доста слаб високочестотен сигнал може просто да се загуби в шума след преминаване през такива филтри.
Следващата отличителна черта на високочестотните усилващи стъпала е доста умеренаизползване на вериги за обратна връзка. Факт е, че при високи честоти може да бъде доста трудно да се осигури стабилност на веригите за обратна връзка. При една честота такава връзка може да действа като отрицателна, а при друга - като положителна. Изключение правят някои специални, добре проучени и изчислени видове интракаскадни отрицателни обратни връзки (обикновено имащи реактивен характер), чиито параметри остават повече или по-малко стабилни в широк честотен диапазон. Тези изисквания са донякъде облекчени за теснолентови усилватели, в които работният честотен диапазон е доста тесен и съответно параметрите на различните схеми се оказват по-предвидими. Често има обратни връзки, които осигуряват автоматичен контрол на усилването на високочестотни етапи, тъй като нивото на входния високочестотен сигнал може да варира в много широк диапазон. Въпреки това, най-важната задача при проектирането на високочестотни усилватели е обратната задача - елиминирането на всички възможни вериги за обратна връзка в работния честотен диапазон (тук е подходящо да си припомним кондензатор, свързан паралелно със съпротивлението в емитерната верига, както е показано на фиг. 3.21, 3.24). С увеличаването на честотата тази задача става все по-трудна, тъй като високочестотните сигнали постоянно се опитват да стигнат там, където не трябва, като се възползват от паразитните капацитети на окабеляването, вътрешните токове на утечка на транзисторите, електромагнитното излъчване на свързващите проводници, индуктивностите и други компоненти на веригата. Тези явления се борят основно чрез оптимизиране на разположението на компонентите по време на монтажа, различни екраниращи прегради, минимизиране на размера на самите елементи и използване на елементи с по-добри високочестотни свойства.
Възниква прост въпрос: защо е необходимо да се контролират всички възможни вериги за обратна връзка толкова усърдно? Факт е, че наличието или отсъствието на такива схеми има решаващ ефект върхустабилносттана усилвателя. Има цяла теория за стабилността, която позволява да се предвиди поведението на голямо разнообразие от схеми. Основният проблем тук е, че верига, която изглежда работи нормално по време на тестовите тестове, когато към нея се приложи чист полезен сигнал, може да се окаже лесно възбудима извън работната лента на усилване, т.е. в реално устройство, където винаги има някои смущения и нежелани интермодулационни продукти, работещи извън работната лента, такава схема не може да работи. Загубата на стабилност причинява значително нелинейно изкривяване на сигнала и в границите веригата може да се самовъзбуди, превръщайки се от усилвател в генератор. Не трябва да мислите, че този проблем отсъства при нискочестотните усилватели. Но там се оказва много по-предвидим и контролируем, така че не създава много сериозни трудности при проектирането на усилватели. Но във високочестотните усилватели неконтролираното самовъзбуждане може да се прояви дори при внимателно изчислени и професионално сглобени вериги.
Различни проблеми във високочестотните етапи на усилване водят до факта, че общото усилване на такива етапи е много по-ниско от усилването на подобни нискочестотни вериги. Допълнителен проблем създават множеството филтри, които оформят честотната характеристика на усилвателя, но в същото време значително отслабват полезния сигнал. По този начин, за да се осигури достатъчно високо усилване при висока честота, е необходимо да се изградят многостъпални усилватели с брой етапи, който значително надвишава това, което ниесвикнали да виждат в нискочестотни вериги.
В общия случай няма универсална методология за конструиране на високочестотни усилвателни вериги и горната структура е само някаква средна статистическа опция, която може да бъде значително променена, ако е необходимо. Има смисъл да се отделят два широки класа усилватели:широколентови(те включват същоапериодични) итеснолентови(те включват същорезонансни) усилватели.
Теснолентови усилватели. Блоковата схема на теснолентов високочестотен усилвател включва всички стандартни връзки, описани по-горе. Но освен това, теснолентовият усилвател може да включва допълнителни пасивни вериги, предназначени да формират необходимата честотна лента и да осигурят стабилността на усилвателя извън работната честотна лента (стабилизиращи вериги).
Проблемът с оформянето на честотната лента е много важен при проектирането на теснолентови усилватели, тъй като високочестотните транзистори са активни в широка честотна лента. Необходимата честотна лента може да се формира, например, с помощта на филтър за групирана селекция (FSS), свързан към входа или изхода на транзистора. FSS на входа отслабва ефекта от смущенията, предотвратява нелинейното изкривяване поради взаимодействието им със сигнала (интермодулационно изкривяване) и по този начин повишава устойчивостта на шума на усилвателя. Въпреки това филтърът, включен на входа, внася допълнителни загуби в усилвателя и увеличава неговия шум. Загубата на филтъра при централната честота на лентата на пропускане е толкова по-голяма, колкото по-тясна е честотната лента. По-строги изисквания се налагат на FSS на входа, отколкото на филтъра, свързан на изхода на транзистора. Друг възможен начин за формиране на честотната лента е с помощта на резонансни връзки,свързани последователно с транзистор или във верига за обратна връзка. Резонансните усилватели имат тясна честотна лента и високо усилване. Основният им недостатък е по-ниската им стабилност в сравнение с широколентовите каскади. Извън работната честотна лента, в областта на потенциална нестабилност, усилвателят може да бъде възбуден от смущения и интермодулационни продукти. За да се предотврати това, във веригите на теснолентови усилватели се въвеждат стабилизиращи вериги със загуби, които не влияят на работата на каскадата в работната честотна лента, но шунтират веригите на потока на сигнала в области с потенциална нестабилност.
Имайте предвид, че функции като съгласуване на импеданса, оформяне на честотната лента и стабилност на усилвателя не е необходимо да се изпълняват от отделни пасивни вериги - една верига може да се използва за изпълнение на няколко функции наведнъж.
Широколентови усилватели. При проектирането на широколентови усилватели трябва да се вземе предвид факта, че усилването при всяко включване на транзистора намалява с увеличаване на честотата, следователно изчисляването на такива усилватели и съгласуването на товарите обикновено се извършва не при централната, а при горната честота на работния диапазон (широколентови трансформаторичесто се използват като съвпадащи вериги в такива усилватели). Прекомерното усилване, което се появява при по-ниските честоти на диапазона, се елиминира от така нареченитеизравнителни вериги. Последният може да бъде направен под формата на реактивни или разсейващи вериги (най-простият пример за изравнителна верига е обикновен кондензатор, свързан последователно към веригата на потока на сигнала; при горната честота на работния диапазон съпротивлението му е по-ниско от съпротивлението при по-ниската честота, т.е.нискочестотните сигнали, преминаващи през такава верига, ще бъдат потиснати в по-голяма степен от високочестотните сигнали).
В усилватели с реактивни изравнителни вериги корекцията на усилването на лентата на пропускане се извършва чрез несъответствие (увеличаване на коефициента на отражение) на входа на усилвателя с намаляване на честотата. Въпреки това, при силно несъответствие, усилвателите могат да се самовъзбудят. В този случай е за предпочитане да се използват дисипативни вериги.
Когато се използват дисипативни изравнителни вериги, излишното усилване се компенсира в абсорбиращите елементи на веригите, чието затихване се увеличава с намаляване на честотата (припомнете си примера с кондензатор, въпреки че един кондензатор сам по себе си не може да се счита за дисипативна верига, но принципът е много подобен). В този случай коефициентите на отражение от входа и изхода са малки. Дисипативните изравнителни вериги могат да се използват едновременно като стабилизиращи вериги, т.е. за потискане на усилването извън обхвата, въпреки че тези функции могат да се изпълняват от различни вериги.
Що се отнася досхемите за включване на биполярни транзистори във високочестотни усилватели, те също до голяма степен зависят от предназначението на усилвателя.
В усилвателите с нисък шум на входните пътища на високочувствително оборудване се предпочитат схеми с OE и OB. OE веригите са безспорно стабилни в широка честотна лента и имат много голям динамичен обхват, което ги прави практически незаменими в многостъпални схеми за усилване на IF. Вериги с OB в по-голямата част от честотния диапазон, като правило, са потенциално нестабилни. За да се преодолее този недостатък, такива схеми трябва да бъдат обхванати от достатъчно дълбок вътрешнокаскаден OOS. От друга страна, усилвателитранзисторите при включване с OB имат по-добри шумови свойства (което предопределя тяхната по-висока чувствителност), те могат да получат много по-голяма печалба, отколкото в схеми с OE, а печалбата в каскади с OB е доста слабо зависима от честотата. Увеличаването на печалбата е свързано със стесняване на честотната лента и намаляване на границата на стабилност на усилвателя. В допълнение, големи печалби могат да бъдат реализирани само при високо съпротивление на натоварване и това затруднява създаването на съвпадащи вериги. Широколентовите усилватели, като се вземат предвид проблемите със стабилността на веригата с OB, обикновено се изграждат според схемата с OE, а теснолентовите усилватели се изграждат както според веригата с OE, така и според веригата с OB, а транзисторите във връзка с OB позволяват да се получат много по-тесни честотни ленти. Каскадата с OK може да се използва в усилватели на мощност, нейните свойства при високи честоти са в много отношения подобни на свойствата на каскадата с OE, но поради наличието на дълбок OOS, на практика каскадите с OK се оказват с малко по-висока честота от подобни каскади с OE.