Мостовые усилители

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.

1. Общие свойства мостовых усилителей

Структурная схема мостового усилителя на двух транзисторах (рис. 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 в оптимальные сопротивления нагрузки транзисторов.

Рис. 1. Структурная схема мостового усилителя

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 не зависит от напряжения 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 и соответственно.

В общем случае изменение входных сопротивлений 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. Анализ показывает, что к.п.д. квадратурного ДМ при определяется формулой:

,

(1)

где , – нагрузки моста; – сопротивление согласованной нагрузки квадратурного ДМ.

В табл. 1 и 2 показана зависимость к.п.д. от и , рассчитанная по формуле (1).

Таблица 1. Таблица 2.

	0,25	0,33	0,50	1,00	2,00	3,00	4,00			0,5	1,0	2,0	3,0
	0,64	0,75	0,80	1,00	0,80	0,75	0,64			0,94	0,80	0,50	0,31

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.

Если сопротивления и (рис. 1) стабильны, то любой тип моста обеспечивает глубокую развязку. В многокаскадных усилителях – выходное сопротивление предыдущего каскада, а – входное сопротивление следующего каскада. Из сказанного следует, что эти сопротивления могут быть стабильными при использовании квадратурных мостов. Следовательно, такие мосты дают лучшую развязку.