Рис. 18. Схема включения ПТ по постоянному току с общим истоком и раздельным питанием

Рис. 19. Схема включения ПТ по постоянному току с общим стоком

иавтосмещением

4.Схемы построения усилителей

Однонаправленная схема: простая в изготовлении, максимальный коэффициент усиления, минимальный коэффициент шума; недостатки – большие значения коэффициента стоячей волны по напряжению (КСВН) по входу и выходу, следовательно, сложность каскадирования и плохая устойчивость (рис. 20).

Выходная мощность и рабочая полоса частот определяются типом выбранного транзистора, в принципе схема широкополосная.

17

Рис. 20. Однонаправленная схема усилителя

Для улучшения развязки по входу и выходу можно использовать вентили или резистор, но это усложняет конструкцию и увеличивает потери.

Балансная схема: выходная мощность по сравнению с предыдущей схемой увеличивается примерно в два раза, очень простое каскадирование из-за низких значений КСВН (не более 2,5 для сверхширокополосных усилителей); недостатки – если не требуется максимальная выходная мощность, то коэффициент усиления, меньший чем в предыдущей схеме, достигается при большем числе транзисторов, следовательно, КПД хуже; потери в делителях-сумматорах (до 0,5 дБ в каждом) уменьшают коэффициент усиления (рис. 21).

Рис. 21. Балансная схема усилителя

Широкополосность ограничена типом используемого делителя-сум- матора. Простой технологичный кольцевой делитель имеет ширину ра-

18

бочей полосы частот примерно 10%, более сложный ответвитель Ланге обеспечивает работу в полосе более октавы.

Схема усилителя со связью по постоянному току [7] применяется в случае, когда нет необходимости в большой выходной мощности, а токопотребление устройства ограничено. Через два транзистора течет общий ток, при этом на каждом из транзисторов создается падение напряжения, определяющееся сопротивлением транзистора. Если транзисторы различаются сопротивлениями, то падения напряжений на них могут быть существенно различными, транзисторы работают в разных режимах. Для предотвращения данного недостатка используют стабилитроны, через которые течет разностный ток.

Достоинства данной схемы заключаются в следующем: большой коэффициент усиления, компактность, малый потребляемый ток. Недостатки – плохая развязка, сложность согласования в широкой полосе частот, необходимость подбора транзисторов по характеристикам на постоянном токе (рис. 22).

Рис. 22. Схема усилителя со связью по постоянному току

Схема усилителя с распределенным усилением (усилитель бегущей волны (УБВ)).

Схема УБВ впервые была предложена Персивалем в 1936 году (патент Великобритании № 460562). УБВ построен по схеме фильтра нижних частот. Емкости активных элементов, которые выполняют роль шунтирующих емкостей, соединены отрезками линий передачи (индуктивности) – так образуются входная и выходная линии передачи, периодически связанные между собой проводимостями активных элементов, которые складываются без сложения их входных и выходных емкостей. Тем самым преодолевается ограничение на произведение коэффициента усиления на ширину полосы рабочих частот. В обычных усилителях параллельное включение нескольких активных элементов приводит к увеличению входной и выходной емкостей устройства, что вызывает уменьшение полосы рабочих частот.

Чрезвычайная широкополосность, предсказываемая теорией, в реальных схемах ограничивается рядом факторов, таких как паразитные ем-

19

костные и индуктивные связи (индуктивности соединительных проводов, межвитковые емкости), потери в активных и пассивных элементах схемы. Этим объясняется тот факт, что УБВ, реализуемые на вакуумных приборах, биполярных транзисторах, кремниевых ПТ, не получили широкого распространения.

«Второе рождение» УБВ произошло с развитием GaAs монолитной технологии [8].

Схема УБВ на четырех GaAs полевых транзисторах представлена на рис. 23.

Рис. 23. Схема усилителя бегущей волны, имеющего в своем составе четыре ПТ: ПТ1 – ПТ4 – полевые транзисторы; ZGli – входной отрезок затворной линии передачи с волновым сопротивлением ZG и длиной li; ZGlG – отрезки затворной линии передачи с волновым сопротивлением ZG и длиной lG; ZDlD – отрезки стоковой линии передачи с волновым сопротивлением ZD и длиной lD; ZDl0 – выходной отрезок стоковой линии передачи

сволновым сопротивлением ZD и длиной l0; ZDlm – отрезки согласующих линий передачи

сволновым сопротивлением ZD и длиной lm; RG – нагрузка в затворной линии; RD –

нагрузка в стоковой линии; CG, CD – блокировочные конденсаторы

СВЧ-сигнал, приложенный ко входу усилителя, распространяется вдоль затворной линии, поглощается отдельными ПТ и передается в стоковую линию. Если фазовые скорости волн в затворной и стоковой линиях совпадают, то выходные сигналы отдельных ПТ будут складываться в стоковой линии, причем складываться будут только сигналы, распространяющиеся в прямом направлении. Это легко проверить, рассматривая различные пути сигнала от входа к выходу. Любой сигнал, распространяющийся в обратном направлении и не уничтоженный полностью при противофазном сложении, будет поглощен нагрузкой в стоковой линии RD.

Условие синфазности сигналов отдельных ПТ на выходе усилителя записывается следующим образом:

√√

LG = LD ;

CG CD

где LG, CG и LD, CD – погонные (на единицу длины) индуктивности и емкости затворной и стоковой линий соответственно.

20

Характеристические импедансы затворной и стоковой линий определяются по формулам:

где Cgs – емкость затвор – исток ПТ; Cds – емкость сток – исток ПТ; lg и ld – длины секций затворной и стоковой линий одной транзисторной ячейки.

Коэффициент усиления по напряжению усилителя на n транзисторах

где Z0 = ZG = ZD.

Упрощенная эквивалентная схема УБВ показана на рис. 24.

Рис. 24. Упрощенная эквивалентная схема УБВ: ZLG, ZLD – комплексные нагрузки в затворной и стоковой линиях; rg – сопротивление затвора ПТ; rd – сопротивление стока ПТ; gmeg1 – gmeg4 – элементы, определяющие усилительные свойства транзисторов. Остальные обозначения те же, что и на рис. 23

Используя упрощенную эквивалентную схему УБВ, выражение для коэффициента усиления по напряжению схемы на n транзисторах можно

21

записать следующим образом:

где ZG и ZD определяются выражениями (1) и (2).

Постоянные распространения в затворной и стоковой линиях соот-

Из этого выражения видно, что при увеличении числа транзисторных ячеек n усиление не растет монотонно. Когда n становится большим, усиление стремится к нулю.

Если aglgn 6 1 и потери в стоковой линии малы по сравнению с потерями в затворной линии, то (7) можно переписать следующим образом:

то есть коэффициент усиления пропорционален n2.

Следует отметить, что без учета потерь выражение для коэффициента усиления приобретает вид (3).

Максимальное число транзисторов n, которое целесообразно использовать в УБВ, можно получить из условия aglgn 6 1. Используя выражение для постоянной затухания в затворной линии, получим

rgw2Cgs2 Z0 n 6 2:

22