Широкополосный усилитель высокой частоты

 

Использование: в области радиотехники. Сущность изобретения: обеспечение в широких пределах глубины регулировки коэффициента усиления по напряжению и динамического диапазона входных сигналов благодаря тому, что между эмиттером транзистора Т каскада предоконечного усиления и его резистором термостабилизации введена цепь отрицательной обратной связи, выполненная в виде параллельного соединения резистора (Р) и диода (Д) в проводящем направлении, между коллекторами Т каскадов оконечного и предоконечного усиления включен варикап, а в эмиттерную цепь Т каскада оконечного усиления между резистором термостабилизации и общей шиной введен Р отрицательной обратной связи по току, образующий одно из двух плеч моста, два другие плеча которого образованы делителем напряжения источника питания, выполненным в виде последовательного соединения Р и стабистора, зашунтированного конденсатором, при этом, в диагональ моста включен Д в проводящем направлении. 1 ил.

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в радиоприемных устройствах различного назначения.

Известна схема для регулирования усиления полупроводникового усилителя по патенту CША N 3500222, кл. 330-29, в котором переменный нагрузочный импеданс диод введен в цепь нагрузки усилителя. Этот импеданс управляется сигналом АРУ, вследствие чего усиление регулируется без изменения параметров активных элементов. Недостатком усилителя является регулировка коэффициента усиления в режиме усиления слабых сигналов, поскольку сопротивление нелинейного элемента зависит от изменения уровня сигнала.

Известен транзисторный усилитель с регулируемым усилием по авт.св. N 425309, содержащий усилительный каскад на транзисторе, в цепь эмиттера которого включены последовательно соединенные диод и конденсатор, а к базе подключен источник управляющего напряжения и аттенюатор на входе. Недостатком известного усилителя являются большие нелинейные искажения при регулировании усиливаемых сигналов.

Наиболее близким по своей технической сущности к предлагаемому широкополосному усилителю высокой частоты является широкополосный интегральный усилитель напряжения по авт.св. N 343355, кл. Н 03 f 1/30.

Однако в известном устройстве не обеспечивается регулировка коэффициента усиления по напряжения и его стабильность в интервале температур, а также маленький динамический диапазон входных сигналов. К ранее сказанному следует добавить еще одно существенное обстоятельство. Дело в том, что к эмиттеру транзистора каскада предварительного усиления широкополосного усилителя, принятого за прототип, подключена параллельная цепочка, одна ветвь которой выполнена из резистора термостабилизации, а другая из последовательно соединенных резистора и конденсатора, осуществляющих последовательную отрицательную обратную связь на частоте усиливаемых сигналов. Эта ветвь изменяет глубину отрицательной обратной связи по сигналу без действия на режим по постоянному току. Параллельно упомянутому конденсатору для расширениячастотной характеристики в области нижних частот подключается дополнительный конденсатор. Однако при усилении высокочастотных сигналов вследствие разряда этих конденсаторов через последовательное соединение резисторов термостабилизации и отрицательной обратной связи происходит расширение длительности импульса из-за увеличения времени среза, что ухудшает верность воспроизведения радиоимпульсов малой длительности.

Целью изобретения является обеспечение в широких пределах глубины регулировки коэффициента усиления по напряжению и динамического диапазона входных сигналов.

Цель достигается тем, что между эмиттером транзистора каскада предварительного усиления и резистора термостабилизации введена цепь отрицательной обратной связи по току, выполненная в виде параллельного соединения резистора и диода в проводящем направлении и соединенная с конденсатором высокочастотной коррекции, шунтирующим резистор термостабилизации, между коллекторами транзисторов каскадов оконечного и предварительного усиления включен варикап, а в цепи эмиттера транзистора каскада оконечного усиления, выполненного в виде усилителя с комбинированной усилительной обратной связью, к точке соединения резистора термостабилизации и резистора отрицательной обратной связи по току подключена параллельная ветвь, выполненная в виде последовательного соединения диода в непроводящем направлении и стабилизатора, зашунтированного конденсатором и соединенного через резистор с источником питания, при этом управляющее напряжение подается на базу вспомогательного транзистора, включенного по схеме с ОЭ и соединенного своим участком Э-К с тем резистором делителя напряжения, который включен между общей шиной и базой транзистора каскада предварительного усиления.

На чертеже приведена электрическая принципиальная схема предлагаемого широкополосного усилителя высокой частоты.

Усилитель состоит из каскада предварительного усиления на транзисторе 1 и каскада оконечного усиления на транзисторе 2. Транзисторы 1 и 2 включены по схеме с общим эмиттером. Транзистор 1 через резистор 3 и варикап 4 цепи параллельной обратной связи, нагрузочный резистор 5 и резистор 6 фильтра нижних частот, содержащего также конденсатор 7, подключается к источнику питания +Е. К эмиттеру транзистора 1 подключено последовательное соединение двух цепей, одна из которых содержит параллельно соединенные резистор 8 отрицательной обратной связи и диод 9 в проводящем направлении, а вторая - параллельно включенные резистор 10 термостабилизации и конденсатор 11 высокочастотной коррекции, осуществляющего последовательную отрицательную обратную связь на частоте усиливаемых сигналов.

Режим работы по постоянному току транзистора 1 определяется делителем напряжения в цепи его базы, выполненным на резисторах 12 и 13. В цепи базы транзистора включен вспомогательный транзистор 14. Участок Э-К вспомогательного транзистора 14 включен параллельно резистору 13, а на его базу, соединенную с общей шиной, через резистор 15 подается регулирующее (управляющее) напряжение. В эмиттерную цепь транзистора 2 каскада оконечного усиления включено последовательное соединение резистора 16 термостабилизации, зашунтированного конденсатором 17, и резистора 18 отрицательной обратной связи. К средней точке соединения резисторов 17 и 18 подключен диод 19, соединенный со стабилизатором 20 и конденсатором 21 и через резистор 22 с источником питания.

Работу предлагаемого широкополосного усилителя высокой частоты рассмотрим, исходя из следующих предпосылок.

1. "Определяющие коэффициент усиления каскада параметры h 21 и h 11 весьма чувствительны к изменению тока эмиттера в то время как изменение напряжения на коллекторе практически не оказывает на эти параметры сколько-нибудь заметного влияния".

(Крылов Г. М. Смирнов Г.А. Транзисторные усилители с автоматической регулировкой усиления, М.-Л. Энергия, 1967, стр.18.

Как известно, коэффициент усиления по току транзистора зависит от тока базы [h₂₁= f(i)]. Эта зависимость имеет вид кривой, изображенной на рис. 10. Максимальное значение 21 имеет место при токе базы i = I.

(Крылов Г. М. Смирнов Г.А. Транзисторные усилители с автоматической регулировкой усиления, М.-Л. Энергия, 1967, с. 19.

3. Как показали проведенные расчеты и экспериментальные исследования, сумма коллекторных токов транзисторов каскадов предварительного и оконечного усиления при изменении тока базы транзистора каскада предварительного усиления остается практически неизменной с точностью до 5% происходит лишь их перераспределение между коллекторными цепями.

4. Зависимость дифференциального сопротивления нелинейного элемента (в данном случае полупроводникового диода) от управляющего напряжения приведена на рис. 77).

Крылов Г.М. Смирнов Г.А. Транзисторные усилители с автоматической регулировкой усиления, М.-Л. Энергия, с. 125.

При отсутствии управляющего напряжения на базе вспомогательного транзистора 14 коллекторные тока и транзисторов 1 и 2 отличаются не слишком сильно, имеют достаточно большие величины, в результате чего дифференциальные сопротивления диодов 9 и 19, а также емкость варикапа 4 достаточно малы, в результате чего коэффициенты усиления по напряжению каскадов предварительного и окончательного усиления, а следовательно и широкополосного усилителя высокой частоты имеют максимальное значение.

При подаче управляющего напряжения на базу вспомогательного транзистора 14 происходит уменьшение коэффициента передачи по току в схеме с общим эмиттером транзистора 1, в результате чего его коллекторный ток уменьшается, уменьшается напряжение на резисторе 8, а следовательно, и на диоде 9, вследствие чего дифференциальное сопротивление последнего увеличивается. Это приводит к тому, что глубина отрицательной обратной связи по току возрастает, а коэффициент усиления по напряжению каскада предварительного усиления падает. Вследствие уменьшения коллекторного тока транзистора 1 возрастает его коллекторное напряжение, уменьшается напряжение смещения на варикапе 4, а его емкость возрастает, а следовательно, возрастает и глубина параллельной отрицательной обратной связи.

В то же время коллекторный ток транзистора 2 возрастает, увеличивается напряжение на катоде диода 19, тогда как напряжение на его аноде фиксировано стабистором 20. В результате это дифференциальное сопротивление диода 19 возрастает. Пpи этом возpастает и глубина отрицательной обратной связи по току. При увеличении глубины параллельной отрицательной обратной связи и глубины отрицательной обратной связи по току коэффициент усиления по напряжению каскада оконечного усиления уменьшается. Следовательно, уменьшается и становится минимальным коэффициент усиления по напряжению предлагаемого широкополосного усилителя высокой частоты.

К сказанному ранее необходимо добавить что при подаче управляющего напряжения на базу транзистора 14 сопротивление его участка "коллектор-эмиттер" уменьшается, а следовательно уменьшается и напряжение усиливаемого сигнала, поступающее на базу транзистора 1 каскада предварительного усиления. В связи с тем, что выходное напряжение каскадов предварительного и оконечного усиления является постоянной величиной, а коэффициент усиления при регулировке уменьшается, увеличивается динамический диапазон входных сигналов.

Предлагаемый широкополосный усилитель высокой частоты обладает еще одним свойством, заключающимся в том, что при регулировке коэффициент усиления, по напряжению последний, является стабильным в интервале температур. В самом деле, при повышении температуры вследствие уменьшения глубины отрицательной обратной связи по току возрастает коэффициент усиления по напряжению каскада предварительного усиления. В то же время при повышении температуры глубина отрицательной обратной связи по току каскада оконечного усиления увеличивается, а следовательно и уменьшается его коэффициент усиления по напряжению. Таким образом, вследствие компенсации коэффициент усиления по напряжению широкополосного усилителя высокой частоты при повышении температуры не изменяется. При понижении температуры рассматриваемые ранее процессы происходят в обратном порядке. Но и в этом случае коэффициент усиления по напряжению широкополосного усилителя высокой частоты также не изменяется.

Таким образом, из ранее сказанного видно, что нелинейные сопротивления (диоды) и нелинейная емкость (варикап) включены соответственно в цепи отрицательной обратной связи по току и в цепи отрицательной обратной связи по напряжению в соответствующие цепи каскадов предварительного и оконечного усиления без применения дополнительных емкостей, что особенно важно в широкополосном усилителе высокой частоты, где происходит усиление импульсных сигналов малой длительности, исключающих измерение их формы.

Изменение глубины отрицательной связи по току в цепях эмиттеров и глубины отрицательной обратной связи по напряжению в цепи коллектора происходит путем подачи в цепь базы вспомогательного транзистора только одного управляющего напряжения. Согласованные изменения глубин отрицательной обратной связи по току каскада предварительного усиления и комбинированной инерционной отрицательной обратной связи каскада оконечного усилителя обеспечивают в широких пределах регулировку коэффициента усиления по напряжению предлагаемого широкополосного усилителя высокой частоты.

При подаче напряжения управления и его увеличении появляется и возрастает ток базы вспомогательного транзистора и уменьшается сопротивление между его коллектором и эмиттером. Последнее шунтирует входное сопротивление каскада предварительного усиления, в результате чего уменьшается коэффициент передачи на входе этого каскада. В то же время, поскольку максимальное выходное напряжение каскада определяется нагрузкой и является величиной постоянной, то увеличение уровня входных сигналов достигается уменьшением в широких пределах коэффициента усиления по напряжению.

При экспериментальном исследовании предлагаемый широкополосный усилитель высокой частоты был выполнен на транзисторах 2Т3106А-2 и обеспечивал в полосе частот 20-350 МГц коэффициент усиления по напряжению в пределах 30 дБ. При этом глубина регулировки коэффициента усиления по напряжению составляет около 28 дБ, а динамический диапазон по входным сигналам при максимальном выходном напряжении 450 мВ составляет более 40 дБ.

Формула изобретения

Широкополосный усилитель высокой частоты, содержащий каскады предоконечного и оконечного усиления, выполненные на транзисторах, включенных по схеме с общим эмиттером, причем транзистор каскада оконечного усиления через последовательно соединенные нагрузочный резистор и резистор фильтра нижних частот подключен к шине источника напряжения питания и через резистор отрицательной обратной связи по напряжению к базе этого транзистора и к коллектору транзистора каскада предоконечного усиления, при этом в эмиттерных цепях обоих транзисторов включены резисторы термостабилизации, зашунтированные конденсаторами, база транзистора каскада предоконечного усиления соединена с отводом базового делителя напряжения, включенного между общей шиной и точкой соединения нагрузочного резистора и резистора фильтра нижних частот, отличающийся тем, что между эмиттером транзистора каскада предоконечного усиления и его резистором термостабилизации введена цепь отрицательной обратной связи, выполненная в виде параллельного соединения резистора и диода в проводящем направлении, между коллекторами транзисторов каскадов оконечного и предоконечного усиления включен варикап, а в эмиттерную цепь транзистора каскада оконечного усиления между резистором термостабилизации и общей шиной введен резистор отрицательной обратной связи по току, образующий одно из двух плеч моста, два другие плеча которого образованы делителем напряжения источника питания, выполненным в виде последовательного соединения резистора и стабистора, зашунтированного конденсатором, при этом в диагональ моста включен диод в проводящем направлении.

РИСУНКИ

Рисунок 1