Транзисторные усилители свч

Успехи в развитии физики и технологии полупроводников сделали возможным создание транзисторов, обладающих хоро­шими шумовыми и усилительными свойствами и способных ра­ботать в диапазоне СВЧ. На основе этих транзисторов были разработаны СВЧ малошумящие усилители (МШУ), первые сообщения о которых появились в печати в начале 60-х годов. Транзисторные усилители в отличие от усилителей на полупро­водниковых параметрических и туннельных диодах являются нерегенеративными, поэтому обеспечить их устойчивую работу значительно проще, чем, например, усилителей на туннельных диодах. Кроме того, транзистор СВЧ обладает невзаимными (в первом приближении) свойствами, поэтому транзисторный уси­литель в принципе может включаться в радиотракт без внешних развязывающих устройств.

В МШУ СВЧ применяются малошумящие транзисторы, как биполярные (германиевые и кремниевые), так и полевые с за­твором типа барьера Шоттки (на кремнии и арсениде галлия). Германиевые биполярные транзисторы позволяют получить меньший коэффициент шума, чем кремниевые, однако последние более высокочастотны. Полевые транзисторы с затвором типа барьера Шоттки превосходят биполярные транзисторы по усили­тельным свойствам и могут работать на более высоких частотах, особенно арсенид-галлиевые транзисторы. Шумовые характе­ристики на относительно низких частотах лучше у биполярных транзисторов, а на более высоких частотах − у полевых. Недо­статком полевых транзисторов являются высокие входное и (или) выходное сопротивление, что затрудняет широкополосное согласование.

Чтобы транзистор работал в диапазоне СВЧ, надо сильно сократить размеры его активных областей (особенно базы, за­твора), а также минимизировать паразитные элементы р-n-переходов и реактивности корпуса и выводов. Это, естественно, свя­зано со значительными технологическими трудностями. Теорети­ческий предел усиления биполярных транзисторов 10...15 ГГц, а полевых транзисторов с затвором типа барьера Шоттки на ар­сениде галлия − примерно 90 ГГц. По прогнозам специалистов биполярные транзисторы будут применяться в основном на час­тотах до 4...5 ГГц, полевые транзисторы − на частотах выше 8 ГГц, а в промежуточной области частот, по-видимому, будут использоваться и те, и другие транзисторы.

В настоящее время транзисторные МШУ СВЧ изготовляются в основном в виде гибридных интегральных схем (ИС) на ди­электрических подложках с навесными активными элементами. Усилители в виде полупроводниковых ИС пока еще имеют боль­ший коэффициент шума и недостаточную повторяемость пара­метров. Подложки гибридных ИС усилителей СВЧ выполняются из керамики, сапфира, кварца и др. Транзисторы используются как в корпусном, так и бескорпусном исполнении. Бескорпусные транзисторы по сравнению с корпусными имеют меньшие линей­ные размеры и в них минимизированы паразитные элементы. Такие транзисторы способны работать на более высоких часто­тах, однако их монтаж в схему технологически довольно сложен.

Особенности построения транзисторных усилителей свч

Схемы включения транзисторов. В малошумящих усилителях СВЧ на биполярных транзисторах преимущественно использу­ются схемы включения с общим эмиттером (ОЭ), поскольку они безусловно устойчивы в широкой области частот. Транзисторы с общей базой (ОБ) в большей части частотного диапазона по­тенциально неустойчивы (имеют коэффициент устойчивости k_y меньше единицы). В усилителях на транзисторах с ОБ (при k_у<1) может быть получено значительно большее усиление, чем в схемах с ОЭ. Однако увеличение усиления связано с сужением полосы пропускания и уменьшением запаса устойчивости усили­теля. Кроме того, большие коэффициенты усиления могут быть реализованы лишь при больших сопротивлениях выходной на­грузки, а это затрудняет создание согласующих цепей, предна­значенных для работы в диапазоне частот.

Достоинством схемы с ОБ является слабая зависимость ко­эффициента усиления от частоты. Однако в широкополосных усилителях схема с ОБ не применяется по указанным причинам (из-за неустойчивости транзистора и трудности трансформации нагрузок в широком частотном диапазоне). В широкополосных усилителях целесообразно использовать транзисторы с ОЭ, а в узкополосных − с ОЭ и ОБ, причем транзисторы с ОБ (при k_у<1) позволяют получить значительно более узкие полосы про­пускания, чем безусловно устойчивые транзисторы с ОЭ.

Узкополосные усилители. Структурная схема узкополосного усилителя, представленная на рис. 8, является простейшей: она содержит пассивные цепи, служащие лишь для трансформа­ции сопротивлений (согласующие цепи). В общем случае в состав узкополосного усилителя могут входить дополнительные пассивные цепи, предназначенные для формирования требуемой полосы пропускания и обеспечения устойчивости усилителя за пределами рабочей полосы (стабилизирующие цепи).

Рис. 8. Структурная схема однокаскадного усилителя

Проблема формирования полосы пропускания является очень важной при разработке узкополосных усилителей, поскольку транзисторы СВЧ активны в широкой полосе частот. Сформиро­вать требуемую полосу пропускания можно, например, с по­мощью фильтра сосредоточенной селекции (ФСС), включенного на входе или выходе транзистора. ФСС на входе ослабляет дей­ствие помехи, предотвращает нелинейные искажения, обуслов­ленные ее взаимодействием с сигналом, и тем самым повышает помехоустойчивость усилителя. Однако фильтр, включенный на входе, вносит в усилитель дополнительные потери и увеличивает его коэффициент шума. Потери фильтра на центральной частоте полосы пропускания тем больше, чем полоса уже. К ФСС на входе предъявляются более жесткие требования, чем к фильтру, включенному на выходе транзистора. Как правило, ФСС согла­суют с линией передачи, поэтому взаимное влияние транзистора и фильтра в полосе пропускания усилителя при расчетах можно не учитывать. Другой возможный способ формирования полосы пропускания − с помощью реактивных цепей, включаемых по­следовательно с транзистором; при этом могут использоваться и цепи отрицательной обратной связи.

За пределами рабочей полосы в области потенциальной не­устойчивости усилитель может возбудиться. Для предотвраще­ния этого в схему усилителя включают стабилизирующие цепи с потерями, которые не оказывают влияния на его работу в по­лосе пропускания и шунтируют транзистор (нагружают на со­противления, близкие волновым сопротивлениям подводящих линий) в областях потенциальной неустойчивости.

Отметим, что такие функции, как согласование сопротивле­ний, формирование полосы пропускания и обеспечение устойчи­вости усилителя, могут выполняться не только различными пас­сивными цепями, но и одна цепь может использоваться для вы­полнения двух функций.

Широкополосные усилители. При проектировании широко­полосных усилителей следует учитывать то обстоятельство, что коэффициент усиления уменьшается с ростом частоты, поэтому расчет таких усилителей и согласование нагрузок производят не на центральной, а на верхней частоте рабочего диапазона (при­чем в качестве согласующих часто используют реактивные цепи). Избыточное усиление, образующееся на нижних частотах диапа­зона, устраняют так называемыми выравнивающими цепями. Последние могут быть выполнены в виде реактивных или диссипативных цепей.

В усилителях с реактивными выравнивающими цепями кор­ректировка коэффициента усиления в полосе пропускания осуществляется за счет увеличения рассогласования (увеличения ко­эффициента отражения) с понижением частоты. Однако при сильном рассогласовании усилители могут самовозбуждаться в областях потенциальной неустойчивости транзистора, а также при каскадировании из-за сильной взаимосвязи каскадов.

При использовании диссипативных выравнивающих цепей избыточное усиление компенсируется в поглощающих элементах цепей, затухание которых возрастает с уменьшением частоты. Коэффициенты отражения от входа и выхода при этом получа­ются малыми. Диссипативные выравнивающие цепи одновремен­но могут использоваться и в качестве стабилизирующих, т. е. для подавления усиления за пределами полосы пропускания, хо­тя эти функции могут выполняться и разными цепями.

Важной особенностью расчета широкополосных усилителей является необходимость использования ЭВМ.