Билет №10. Вопрос №2.

Относительно малая единичная мощность транзи­сторов, особенно в диапазоне СВЧ, часто приводит к не­обходимости суммировать мощности группы транзисто­ров.

Параллельные и двухтактные схемы имеют ряд недо­статков, вызванных связью транзисторов через общую нагрузку и сопротивление генератора возбуждения: 1) усиление влияния разброса параметров на распреде­ление токов транзисторов, поэтому приходится недогру­жать транзисторы; 2) увеличение вероятности паразит­ной генерации в усилителе; 3) снижение

надежности, так как выход из строя одного транзистора может вы­звать полный отказ всего усилителя.

Эти недостатки устраняются в мостовых усилителях, обеспечивающих взаимную развязку транзисторов.

Структурная схема мостового усилителя на двух транзисторах (рис. 5.1) содержит следующие элементы. Мост-делитель (ДМ) распределяет мощность возбужде­ния между транзисторами и обеспечивает их взаимную развязку по входам. Кроме того, он может трансформи­ровать сопротивления и обладает некоторой частотной избирательностью. Совместно с цепями согласования (ЦС) он преобразует входные сопротивления транзисто­ров в заданное входное сопротивление усилителя. Цепи согласования необходимы, если нельзя подобрать тран­зисторы с одинаковыми значениями параметров. Эле­менты подстройки в ЦС позволяют, регулируя индиви­дуально напряжения возбуждения, уравнять выходные мощности транзисторов при значительном разбросе их параметров. Мост-сумматор (СМ) складывает выходные мощности транзисторов (Т). Кроме того, он позволяет трансформировать сопротивление нагрузки усилителя R₀ в оптимальные сопротивления нагрузки транзисторов.

Рисунок 5.1

Некоторые типы мостов не обеспечивают трансфор­мации сопротивлений. В этих случаях трансформирую­щие звенья включают либо на выходе каждого транзи­стора, либо на выходе моста-сумматора. Благодаря «развязывающему» действию мостов на­пряжение Uвх1 (Uвых1) не зависит от напряжения Uвх2 (Uвых2) и наоборот. Поэтому любые изменения в режи­ме одного транзистора не влияют на режим другого.

Однако полная развязка между транзисторами сущест­вует лишь при определенных соотношениях между па­раметрами ДМ и СМ и сопротивлениями R_i и R₀ соот­ветственно.

В общем случае изменение входных сопротивлении транзисторов вызывает изменение входного сопротивле­ния усилителя, не нарушая развязки. Изменение общей нагрузки усилителя приводит к изменению нагрузок транзисторов и появлению взаимной связи между ними.

Наиболее широко используются синфазные и квад­ратурные мосты. Оба типа мостов обладают отмеченны­ми свойствами, но имеют и существенные различия. Если входные сопротивления транзисторов изменяются, оставаясь равными, то входное сопротивление син­фазного ДМ изменяется, а у квадратурного остается постоянным. Это свойство используется на прак­тике. В условиях значительного перепада темпе­ратур среды, а также по другим причинам входные со­противления транзисторов мостового каскада изменяют­ся одновременно и приблизительно одинаково. В этом случае квадратурный ДМ позволяет сохранить неизмен­ным сопротивление нагрузки на предыдущий каскад. Синфазный делитель подобным свойством не обладает. Однако при этом к. п. д. синфазного ДМ остается близ­ким к 1, а к. п. д. квадратурного изменяется, прибли­жаясь к 1 только в режиме согласования с входными сопротивлениями транзисторов, так как постоянство входного сопротивления квадратурного ДМ при откло­нении нагрузок от номинального значения достигается за счет рассеяния части мощности генератора в бал­ласте моста.

В диапазоне СВЧ коэффициент усиления транзисто­ров по мощности весьма невелик. В этих условиях от­сутствие согласования квадратурного ДМ с входным сопротивлением транзисторов может привести к значи­тельному снижению усиления каскада. Поскольку син­фазные ДМ не требуют такого согласования параметров с входом транзисторов, регулировка межкаскадной цепи при их использовании оказывается проще.

Аналогично входному, выходное сопротивление уси­лителя с квадратурными мостами остается постоянным при одинаковых изменениях параметров транзисторов, а в случае синфазных мостов оно изменяется.

При необходимости обеспечить сложение мощностей нескольких усилительных модулей (УМ) можно вос­пользоваться различными вариантам» построения структурной схемы. Если число УМ N=2ⁿ, то возможно ка­скадное соединение двухполюсных мостов (рис. 5.2). При произвольном N используют многополюсные мосты (рис. 5.3). Если N составляет несколько десятков и бо­лее, то применяют комбинации многополюсных мостов (рис. 5.4).

Рисунок 5.2 Рисунок 5.3 Рисунок 5.4 Рисунок 5.5

При построении многокаскадных усилителей возни­кают дополнительные варианты. Например, многокас­кадный усилитель можно выполнить по схемам на рис. 5.5. В варианте на рис. 5.5,б упрощается цепь свя­зи между каскадами и благодаря этому повышается к.п.д. и усиление, а также улучшаются полосовые свой­ства

усилителя. Однако здесь предъявляются более вы­сокие требования к идентичности фазовых и амплитуд­ных характеристик каналов. Иногда двухкаскадные усилители выполняют по схе­ме на рис. 5.5,в, в которой достигается значительная экономия деталей за счет некоторого снижения надеж­ности. Однако может понадобиться включение фазовра­щателя ф для выравнивания фазовых набегов в кана­лах усиления.

Приведем наиболее распространенные схемные варианты реализации мостов для деления и сложения мощностей. Синфазные мосты (рис. 5.6, 5.8) и квадратурный мост (рис. 5.10,б) кроме развязки могут обеспечить не­обходимый коэффициент трансформации сопротивлений при соответствующем подборе параметра волнового сопротивления линий ρ (или Zo). Т-образные мосты (рис. 5.9) имеют фиксированный коэффициент трансформации, как и квадратурный мост (рис.

5.10,а).

Рисунок 5.6 - Синфазные мосты на коаксиальных линиях (линии наматываются на ферритовые кольца)	Рисунок 5.8 - Синфазные мосты на сосредоточенных элементах
Рисунок 5.9 - Т образные мосты на сосредоточенных элементах	Рисунок 5.10 - Квадратурные мосты на микрополосковых линиях

Недостатком мостов на рис. 5.6, 5.8, 5.9 и 5.10,б явля­ются незаземленные балластные сопротивления, которые на СВЧ вносят дополнительные потери мощности за счет собственной паразитной емкости на корпус. Заземленные балластные сопротивления способны рассеивать большую мощность благодаря контакту с теплоотводом.

Систему незаземленных сопротивлений можно заме­нить системой заземленных. В простейшем случае (при N - 2) такая замена показана на рис. 5.7,а. При этом мост рис. 5.6,б преобразуется в известное «гибридное кольцо» рис. 5.7,6.

Рисунок 5.7 - Синфазный мост с заземленным баластным сопротивлением (б)

Рисунок 5.11 - Квадратурный мост на связанных линиях

Квадратурный мост на рис. 5.10,6 можно получить из синфазного моста на рис. 5.6,б добавив к одному из входов отрезок линии длиной λ/4. Мост на рис. 5.10,б имеет два преимущества перед мостом на рис. 5.10,а: он выполнен на трех линиях и позволяет трансформиро­вать сопротивления. Его недостаток — незаземленное балластное сопротивление.

Квадратурный мост на связанных линиях (рис. 5.11) по сравнению с мостами на рис. 5.6 ... 5.10 обеспечи­вает эффективную развязку в относительно широкой полосе частот (порядка октавы).