Моделирование усилителя с распределенным усилением на полевых транзисторах blf278 для диапазонов ВЧ и ОВЧ

МОДЕЛИРОВАНИЕ УСИЛИТЕЛЯ С РАСПРЕДЕЛЕННЫМ УСИЛЕНИЕМ НА ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРАХ BLF278 ДЛЯ ДИАПАЗОНОВ ВЧ И ОВЧ

Рассматриваются основные области применения усилителей с распределенным усилением, а также основные достоинства и недостатки, свойственные таким усилителям. Приведены основные особенности построения усилителей с распределенным усилением. Обсуждаются основные преимущества построения усилителя с распределенным усилением на полевых транзисторах, по сравнению с построением таких усилителей на электронных лампах. Представлены основные подходы к проектированию усилителей с распределенным усилением на полевых транзисторах. Рассмотрены основные преимущества и недостатки усилителей с однородной выходной искусственной длинной линией, по сравнению с применением неоднородной выходной искусственной длинной линии. Приведены основные технические показатели, на основании которых производился расчет усилителя с распределенным усилением с однородной искусственной длинной линией. Приведено обоснование использования на выходе усилителя диплексера в виде вилки фильтров. Обсуждаются полученные результаты компьютерного моделирования усилителя с распределенным усилением на мощных полевых транзисторах BLF 278 и исследования его энергетических характеристик: зависимости от рабочей частоты полезной мощности, потребляемой мощности, мощности рассеиваемой в балластной нагрузке выходной линии, мощности высших гармоник, КПД. Приводятся выводы по результатам исследования, а также рекомендации по улучшению основных характеристик модели усилителя с распределенным усилением на дискретных полевых транзисторах. На основе полученных выводов произведен расчет усилителя с распределенным усилением на основе ФНЧ звеньев 3-его порядка, а также представляются основные технические показатели, требуемые для расчета усилителя по данной методике. Представлена полученная схема усилителя с распределенным усилением на основе ФНЧ звеньев 3-его порядка при их каскадном включении. Приведены результаты проверки работоспособности модели такого усилителя и его энергетических характеристик (зависимостей полезной мощности, потребляемой мощности, мощности рассеиваемой в балластной нагрузке, мощности гармоник, КПД от частоты) на рабочей частоте 100 МГц. Представлены выводы по полученным результатам проверки работоспособности схемы, а также обозначены цели дальнейших исследований усилителя с распределенным усилением на основе ФНЧ звеньев 3-его порядка.

Шмаков Никита Дмитриевич,

МТУСИ, Москва, Россия, shmaki-shmak@yandex.ru

Ключевые слова: усилитель с распределенным усилением, полевые транзисторы, электронные лампы,

Иванюшкин Роман Юрьевич,

МТУСИ, Москва, Россия, rivanyushkin@gmail.com

искусственные длинные линии, вилка фильтров, широкодиапазонные усилители, энергетические характеристики.

Информация об авторах:

Шмаков Никита Дмитриевич, студент магистратуры, МТУСИ, Москва, Иванюшкин Роман Юрьевич, к.т.н., доцент, МТУСИ, Москва, Россия

Для цитирования:

Шмаков Н.Д., Иванюшкин Р.Ю. Моделирование усилителя с распределенным усилением на полевых транзисторах BLF278 для диапазонов ВЧ и ОВЧ // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2017. Том 11. №11. С. 34-39.

For citation:

Shmakov N.D., Ivanyushkin R.Yu.

Усилители с распределенным усилением (УРУ), также часто называемые усилителями бегущей волны, позволяют осуществлять усиление в широком диапазоне частот и с постоянным коэффициентом усиления в заданном диапазоне. Такие усилители целесообразно применять в тех случаях, когда коэффициент перекрытия по частоте рабочего диапазона частот составляет 10 и более раз, и при этом требуется обеспечить усиление без перестройки усилителя. Применение УРУ целесообразно в чех случаях, когда требуется усиление широкополосных и с верх широкополое пых радиосигналов. К преимуществам такого типа усилителен также относят: распределенное теплоотведение, которое позволяет существенно упросить задачу охлаждения усилителя в целом, а также то, что на сопротивление выходной линии УРУ оказывает влияние выходная емкость только одного активного элемента. Маломощные УРУ (в том числе в интегральном исполнении) также применяются в измерительной технике и в радиоприемных устройствах. Мощные УРУ применяются в усилительных трактах широкодиапазонных радиопередатчиков различного назначения. Маломощные усилители с распределенным усилением, которые применяются в радиоприемных устройствах, а также УРУ, применяемые в каскадах предварительного усиления радиопередающих устройств, работают в режиме класса Д. Мощные УРУ, предназначенные для предоконечных и оконечных каскадов усиления мощности радиопередатчиков, работают в режиме класса В или АВ, в зависимости от предъявляемым к ним требованиям по линейности амплитудно-амплитудной характеристики, УРУ обеспечивают относительно низкий КПД: так в режиме класса А К! Щ усилителя достигает 15% а в режиме класса В может достигать 50%, Это является основным недостатком усилителя с распределенным усилением. Также недостатком является низкий коэффициент усиления.

Усилитель с распределенным усилением обычно состоит из входной и выходной искусственных длинных линий, к которым подключаются активные элементы - лампы или транзисторы, соответственно, своими входными и выходными электродами. Каждый активный элемент синфазно добавляет усиленный сигнал (выходной переменный ток) в точку его подключения к выходной линии. Для обеспечения режима бегущей волны обе линии нагружены балластными резисторами, согласованными по величине с их волновыми сопротивлениями. На рисунке 1 представлена схема усили-

Рие. I. Схема усилителя е распределенным усилением

В связи с тем, что область применения ламповых УРУ сокращается, а диапазонные свойства твердотельных усилительных модулей на трансформаторах-линиях не всегда обеспечивают необходимые технические требования, целесообразно рассматривать построение усилителей с распределенным усилением на полевых транзисторах. Явными преимуществами УРУ на полевых транзисторах перед ламповыми УРУ являются уменьшенные массо-габаритные показатели, более высокая надежность, более высокий коэффициент усиления и более долгие сроки эксплуатации. В настоящее время УРУ могут выполняться на монолитных интегральных схемах, но такие УРУ могут применяться только в предварительных усилителях радиопередающего тракта и в усилителях радиоприемного тракта [4].

Таким образом, для построения широкодиапазонного радиопередающего тракта целесообразна разработка УРУ на дискретных нолевых транзисторах. Для инженерного расчета усилителей с распределенным усилением возможно использовать несколько методик расчета. Прежде всего, для УРУ с однородной выходной линией и УРУ с неоднородной выходной линией существуют методики расчета, разработанные применительно к ламповым УРУ [2]. Также возможно осуществлять расчет режима работы активных элементов УРУ на основе методик расчета обычного каскада усиления мощности, а разработка искусственных длинных линий при этом сводится к расчету т-образных ФНЧ-звеиьев, в качестве емкостей которых включаются емкости усилительных элементов.

Основным преимуществом УРУ с однородной выходной линией перед УРУ с неоднородной линией является обеспечение заданной мощности при меньшем количестве усилительных элементов, а основным недостатком является более низкий КПД. Расчет этой разновидности УРУ проводился путем адаптации методики расчета УРУ на электронных лампах с однородной линией [2J.

11ри расчете УРУ верхняя частота его рабочего диапазона была принята равной 108 Ml 'ц, из расчета перекрытия одним универсальным усилительным модулем сразу всех радиовещательных диапазонов. Расчет производился для полезной мощности - 1000 Вт. По результатам расчета для достижения обозначенных исходных условий требуется 8 полевых транзисторов BLF278, и при этом мощность, рассеиваемая Fia стоках каждого из полевых транзисторов, не превышает допустимую рассеиваемую мощность, указанную в [ 1 ],

По рассчитанным данным смоделирована схема УРУ в студенческой версии пакета компьютерного схемотехнического моделирования Micro-Cap. Согласно результатам расчета, для достижения заданных параметров УРУ требуется 8 нолевых транзисторов BLF278, но для упрощения моделирования на начальном этапе создана модель упрощенного УРУ па трех активных элементах, работающего в режиме класса В. Смоделированная схема представлена на рис. 2. 1 !ри этом, учитывая возможность линейного усиления мощности, максимальная напряженность режима работы транзистора заложена граничной.

T-Comm Vol. 11. #11-2017

У

T-Comm Tом 11. #11-20 17

У

Т-Сотт Уо1.11. #11-2017

емкости усилительных приборов. Данные обстоятельства приводят к несинфазному сложению токов активных звеньев УРУ в общей нагрузке и. как следствие, к значительной отраженной волне в верхней линии.

Так же стоит принять во внимание возможные погрешности, возникающие при адаптации методики расчета, разработанной для ламповых УРУ, применительно к полупроводниковой реализации усилителя.

Для построения более совершенной модели УРУ, свободной от значительных потерь мощности в балластной нагрузке выходной линии, целесообразно отказаться от «ламповой методики расчета» в пользу построения искусственных длинных линий на основе т-образных ФНЧ-звеньев 3-го порядка, расчет которых не привязан к элементной базе и, как следствие, такие линии легко рассчитываются и моделируются, путем каскадного включения таких цепочек.

При этом для расчета режима работы активного элемента

можно воспользоваться известными соотношениями для резонансных усилителей мощности [3].

На основе полученных выводов был произведен расчет усилителя с распределенным усилением на основе ФНЧ звеньев 3-его порядка, а для расчета режима работы активного элемента использовались известные соотношениями для резонансных усилителей мощности [3]. ФНЧ звенья 3-его порядка рассчитывались с частотой среза 120 МГц (с запасом но частоте), а диапазон частот на который рассчитывался УРУ равен 10-108 МГц.

Дополнительно была проведена доработка модели самого транзистора, направленная па корректный учет большинства его паразитных реактивностей, включая входную и выходную емкости.

Смоделированная схема УРУ на основе ФНЧ звеньев 3-его порядка представлена на рис. 10.

6.26

С9

С11

Rb

С7

L 41.08п

V2 <5

1 1.21u'| LI 7

6.26

. yí: *——'í:t-->:::——-'irt---:;V-I-- ti:' .

V3 f 3.5

Рис. 10. Смоделированная схема УРУ на основе Ф114 звеньев 3-его порядка

В схеме применяется 4 половинки, т.е. два полноценных балансных (двойных) полевых транзистора ВЬР 278. На выходе усилителя применяется вилка фильтров, также организованная последовательным и параллельным колебательными контурами, которые настроены на полезную (первую) гармонику сигнала.

В данной модели усилителя с распределенным усилением выбрано напряжение смещения, равное 3,5 В, которое соответству ет режиму класса АВ.

Проверка работоспособности схемы производилась на частоте 100 МГц. Полученные значения полезной мощности, мощности в балластной нагрузке, мощности гармоник, потребляемой мощности от источника питания и КПД представлены в табл. 1.

Таблица I

Значения энергетических характеристик на частоте 100 МГц

р 1 полезная» Вт ^потребляемая^ Вт ^балласт» ^Т Р Вт г гармо|[|!к> 11' КПД, %

181,25 512,3 76,2 28 35

Согласно полученным результатам мощность в полезной нагрузке в несколько раз выше мощности в балластной нагрузке, КПД усилителя соответствует теоретическим сведениям [2],

Таким образом, можно сделать вывод, что усилитель с распределенным усилением на основе ФНЧ звеньев 3-его порядка при доработанной модели транзистора работает корректно.

Целью дальнейших исследований являются построение и оптимизация энергетических и нагрузочных характеристик полученной модели усилителя с распределенным усилением на основе Ф114 звеньев 3-его порядка.

Литература

1, Datasheet ASI BLF 278 [Электронный ресурс]. URL: http://www.advancedsemiconductor.com/transi stors/BLF/BLF278^html

2. Алексеев O.B. Усилители мощности с распределенным усилением // Ленинград: Издательство «Энергия». Ленинградское отделение, 1968.

J. Шахгияьдян ВВ. Шумилин М.С.. Козырев В.Б. и др. Проектирование радиопередатчиков // Учебное пособие для вузов. М,: Радио и связь, 2000, 4-е изд. С. 177-186.

4. Арыков B.C.. Дмитриев В.Д.. Коротиев В.XI. Шишкин Д.А. CiaAs МИС усилителя распределенного усиления [Электронный ресурс]. URL: http;//www,m icran.ru/si tcs/micran_ru/ data/UserF i le/File/Publ/2012/GaAs_MMJC_of_distributed_amplifier.pdí (дата обращения 22.09.2016).

5. Шмаков Н.Д., Ивашошкин Р.Ю Исследование усилителя мощности бегущей волны на полевых транзисторах // Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения. 2016. Т. 16. №4. С. 176-179.

T-Comm Том 11. #11-20 17

7Т>

MODELING OF DISTRIBUTED AMPLIFIER ON THE FIELD-EFFECT TRANSISTORS BLF278

FOR HF AND VHF BANDS

Nikita D. Shmakov, Moscow Technical University of Communication and Informatics, Moscow, Russia, shmaki-shmak@yandex.ru Roman Yu. Ivanyushkin, Moscow Technical University of Communication and Informatics, Moscow, Russia, rivanyushkin@gmail.com

Abstract

Main applications of distributed amplifiers are discussed, the main advantages and disadvantages inherent such amplifiers are discussed too. The main features of the construction of distributed amplifiers are given. The main advantages of building of distributed amplifier on field-effect transistors are discussed in comparison with the construction of such distributed amplifiers on vacuum tubes. Basic approaches to design distributed amplifiers on field-effect transistors are presented. The main advantages and disadvantages of distributed amplifiers with homogeneous output artificial long line are considered in comparison with heterogeneous output artificial long line. The main technical characteristics are given on the basis of which distributed amplifiers with homogeneous output artificial long line were calculated. The reason for using the diplexer amplifier in the form of a filter fork on the output is given. Results of computer modeling of distributed amplifier on high-power field-effect transistors BLF278 are presented and his energy characteristics are researched: useful power, power consumption from the power source, power dissipated in the ballast load, power of higher harmonics, efficiency as functions of frequency. Conclusions based on results of researching are given and recommendations to improve the main characteristics of distributed amplifier's model on the discrete field-effect transistors are given too. Based on conclusions, the distributed amplifier on the low-pass filter links of 3rd order was calculated. The main technical characteristics of calculating distributed amplifier for this method are given. The simulated circuit of distributed amplifier on the low-pass filter links of 3rd order is shown. Results of this model functional test and his energy characteristics on the operating frequency are given. Conclusions of results for circuit's functional test are given and purpose of further research of distributed amplifier on the low-pass filter links of 3rd order are given too.

Keywords: distributed amplifier, field-effect transistors, vacuum tubes, artificial long lines, diplexer, wide-band amplifiers, energy characteristics. References

1. The official site of Advanced Semiconductors. "Datasheet BLF278". Available at: http://www.advancedsemiconductor.com/transis-tors/BLF/BLF278.shtml (Accessed 21 January 2017).

2. Alekseev O.V. (1968). Usiliteli moschnosti s raspredelennim usileniem [Power amplifiers with distributed amplification], Energiya, Leningrad, Russia.

3. Shahgildyan V.V. and Shumilin M.C. and Kozyirev V.B. (2000). Proektirovanie radioperedatchikov [Design of radio transmitters], 4ed., Radio I svyaz, Moscow, Russia.

4. Aryikov V.S. and Dmitriev V.D. and Korotaev V.M. and Shishkin D.A. (2016). "GaAs MIS distributed amplifier". available at: http://www.micran.ru/sites/micran_ru/data/UserFile/File/Publ/20l2/GaAs_MMIC_of_distributed_amplifier.pdf (Accessed 22 September 2016).

5. Shmakov N.D. and Ivanyushkin R.Y. (2016). Research of traveling wave amplifier on the field-effect transistors. Fundamental problems of radio engineering and device construction, vol.16, no. 4, pp. 176-179.

Information about authors:

Nikita D. Shmakov, student of magistracy, Moscow Technical University of Communication and Informatics, Moscow, Russia

Roman Yu. Ivanyushkin, Candidate of Engineering Sciences, associate professor, Moscow Technical University of Communication and Informatics, Moscow, Russia