Усилители свч на биполярных и полевых транзисторах

Типовая схема широкополосного УРС на биполярном гетероструктурном транзисторе типа BFP620 (f_T=70 ГГц, К_ш=0,7 дБ на частоте 1,8 ГГц) представлена на рис.5.60. Конструкция – на рис.5.61.

Рис.5.60

Рис.5.61

Элементы L1, C2 обеспечивают низкочастотное шунтирование p-n перехода база-эмиттер и развязку входной цепи транзистора от цепи смещения на высоких частотах. Фильтр напряжения источника питания – R2, C3. Резистор R1 совместно с R2 образует цепь ООС, стабилизирующую режим транзистора по постоянному току. Элементы L2, C5 обеспечивают согласование выходной цепи транзистора. Элементы R3, C4 обеспечивают стабильную работу усилителя в области низких частот (на частотах ниже рабочего диапазона усилитель “видит” низкоомное сопротивление). Микрополосковая линия в цепи эмиттера с индуктивным характером внутреннего сопротивления обеспечивает последовательную ООС, смещающую точку пересечения IP3 и точку компрессии в область более высоких значений при небольшой потере усиления (1,5-2 дБ). Микрополосковая линия и конденсатор С6 образуют последовательный колебательный контур на частоте примерно 9 ГГц, что уменьшает усиление и устраняет возможные паразитные колебания в высокочастотной области выше 8 ГГц.

Основные характеристики усилителя: рабочий диапазон – 1930-1900 мГц; усиление - 14,7 дБ; коэффициент шума 1,04 дБ; входная точка пересечения 3-го порядка – 10,3 дБм; выходная точка компрессии – 5,8 дБм.

Чаще всего в технике связи на СВЧ применяются широкополосные балансные усилители (рис.5.62), обладающие рядом полезных свойств:

1) точка пересечения на 3 dB выше; 2) 50 Оммное согласование со входом и выходом; 3) избыточность в виде двух каскадов обеспечивает работоспособность при отказе одного из каскадов.

Отраженная мощность от каждого из двух идентичных входов рассеивается на изолированной резистивной нагрузке. Эта особенность позволяет проектировать каждый усилитель с оптимальным шумовым согласованием, не беспокоясь об отраженной от входов мощности.

Рис.5.62

Рис.5.63

Рис.5.64

Схема одного из каскадов балансного усилителя для системы сотовой связи на ЕРНЕМТ транзисторе ATF-54143 (К_ш=0,25-0,5 дБ) представлена на рис.5.63. Схема с активным смещением затвора и стабилизацией тока стока показана на рис.5.64

Усилитель (рис.4.82) содержит входную согласующую цепь на основе ФВЧ из конденсатора C1 и катушек индуктивности L1 и L2. Катушка индуктивности L1 обеспечивает снижение усиления на НЧ. C1 обладает двойной функцией - он является разделительным по постоянному току. L2 также имеет двойное назначение и служит для подачи напряжения смещения на затвор PHEMT. Входная цепь представляет собой результат компромисса между низким коэффициентом шума, возвратными потерями и усилением. Выходная согласующая цепь ФВЧ состоит из конденсатора C4 и катушки индуктивности L4. L4 также служит для подачи напряжения на сток PHEMT. Конденсаторы C2 и C5 обеспечивают низкий импеданс для согласующих цепей и стабильность в рабочей полосе частот. Резисторы R4 и R5 обеспечивают низкий импеданс совместно с С3 и С6 и тем самым улучшают стабильность в НЧ области.

Катушки индуктивности L3 (в цепи каждого вывода истока) - короткие линии передачи между каждым истоком и землей, действующие как элементы последовательной ООС.

Напряжение смещения на затвор обеспечивается при помощи делителя R3 и R4. Напряжение для делителя формируется из напряжения на стоке цепью ООС с участием R5. Тем самым осуществляется стабилизация тока стока транзистора. Дополнительное сопротивление R2 (приблизительно 10 к) обеспечивает ограничение тока затвора при работе вблизи точки компрессии и области насыщения. Основные характеристики балансного усилителя:

коэффициент передачи – 15-16 дБ; рабочая полоса – 1,7-2,2 ГГц; коэффициент шума – 0,85 дБ; входная точка пересечения 3-го порядка – 24,2 дБм; выходная точка компрессии – 22,4 дБм.

Усилители с отрицательным сопротивлением.

Рассмотрим линию передачи (рис.5.65) с волновым сопротивлением , нагруженную на некоторую проводимость g.

Рис.5.65

Коэффициент отражения от имеющейся нагрузки равен

. (5.83)

В зависимости от значения и знака проводимости g возможны следующие ситуации (рис.5.66):

Рис.5.66

1) g=∞ (короткое замыкание), при этом коэффициент отражения равен Г= -1;

2) g=g_о, режим согласования, при котором Г=0;

3) g=0 (холостой ход) - Г=1;

4) при g<0 формулу можно переписать так:

, (5.84)

тогда при g_о- >0 имеет место усиление (режим устойчивого усиления);

5) при g₀= происходит переход в режим генерации;

6) а при g₀- <0 наблюдается режим релаксационных (нарастающих) колебаний.

Таким образом, наличие отрицательное сопротивления позволяет обеспечить усиление падающей волны. Физически отрицательное сопротивление означает компенсацию потерь в колебательных системах и линиях передачи.

На рис.5.67 представлена эквивалентная схема УРС проходного типа с отрицательным сопротивлением в колебательном контуре.

Рис.5.67

Коэффициент передачи по мощности в нагрузку равен

. (5.85)

Напряжение на нагрузке

, (5.86)

где , , n- коэффициент включения.

Мощность источника сигнала при согласовании

. (5.87)

На резонансной частоте реактивная составляющая jb=0, поэтому

, (5.88)

т.е. при наличии отрицательного сопротивления возможно усиление по мощности.

Так как

, (5.89)

то

. (5.90)

Тогда получим для коэффициента передачи

. (5.91)

Извлечем корень из левой и правой части:

или , (5.92)

где - так называемая площадь усиления;

δ_н=ρg_н – относительное затухание, вносимое со стороны нагрузки;

δ_с=ρ – относительное затухание, вносимое со стороны источника сигнала.

Условия согласования по мощности в данном случае выглядят следующим образом:

- со стороны источника сигнала: ;

- со стороны нагрузки: .

Выполнить оба эти условия одновременно невозможно, поэтому существуют отраженные волны, что является причиной увеличения уровня шумов.

Рис.5.68