УСИЛИТЕЛЬ ВЫСОКОЙ ЧАСТОТЫ С КАСКАДНЫМ СУММИРОВАНИЕМ МОЩНОСТЕЙ

Полезная модель относится к области радиотехники и может быть использовано в высокочастотных трактах усиления мощности радиотехнических систем и в источниках высокочастотной энергии различного назначения.
Как известно, традиционным требованием, предъявляемым к мощным усилительным каскадам, является максимально полная развязка входного и выходного контуров каскада, что может быть получено путем уменьшения и нейтрализации обратных связей в каскаде, реализуемых через общий электрод или через внутренние цепи активного элемента. При этом чем шире диапазон, тем сложнее выполнить это требование. Поскольку полностью устранить обратные связи в усилительных каскадах невозможно, представляется разумным сознательно использовать обратные связи внутри каскада для получения полезных свойств усилителя.
Физически обратная связь между входным и выходным контурами каскада означает неполное включение активного элемента в высокочастотный тракт по току и/или по напряжению. Одним из видов схемотехнических решений усилительных каскадов с использованием принципа неполного включения являются усилители с каскадным суммированием мощностей, которые позволяют получить в нагрузке мощность, во много раз большую, чем мощность, генерируемая отдельным усилительным каскадом, путем суммирования мощностей отдельных транзисторов без использования внешних систем деления и суммирования мощностей и трансформаторов сопротивления.
Известен высокочастотный усилитель мощности по патенту РФ №1505597, МПК H03F 1/42, опубл. 15.03.1990 г., который представляет собой устройство, состоящее из последовательно соединенных усилительных каскадов. Каждый каскад содержит входную и выходную согласующие цепи, транзистор, подключенный к ним эмиттером и коллектором, соответственно, а между базой транзистора и общей шиной введен конденсатор определенной емкости. В качестве активного элемента усилительного каскада использован биполярный транзистор. Каскады соединены таким образом, что входная согласующая цепь последующего каскада и выходная
согласующая цепь предыдущего каскада объединяются в межкаскадную цепь, которая решает задачу нейтрализации выходной емкости последующего каскада.
Указанное устройство позволяет при отсутствии внешних суммирующих систем получать в нагрузке конечного каскада высокочастотные напряжения, значительно превышающие напряжения питания. В этом усилителе благодаря неполному включению транзистора по напряжению в усилительный тракт, высокочастотная мощность, поступающая на вход каскада, передается в его нагрузку и дополняется мощностью, генерированной транзистором каскада, то есть осуществляется каскадное суммирование мощностей многих транзисторных каскадов в общей нагрузке.
Однако существенным недостатком данного усилителя является обязательное присутствие в его конструкции цепей межкаскадной нейтрализации, которые предназначены для того, чтобы в рабочей полосе частот усилителя скомпенсировать (нейтрализовать) выходную емкость предыдущего каскада и входную емкость последующего каскада. Эти цепи неизбежно содержат индуктивности и требуют настройки, в результате чего осложняется регулировка усилителя. Кроме того, наличие в конструкции усилителя функционально значимых индуктивных элементов препятствует изготовлению усилителя в виде микросборки или интегральной схемы, тем самым затрудняется использование современных высоких технологий.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному является усилитель высокой частоты по международной заявке №WO 95/31858, МПК H03F 3/193, H03F 3/189, опубл. 23.11.1995 г., содержащий N транзисторов по числу каскадов, имеющих входной, выходной и управляющий электроды, N конденсаторов, по числу транзисторов, каждый из которых включен между управляющим электродом транзистора и общей шиной, входную согласующую цепь, выходной зажим которой соединен со входным электродом первого транзистора, выходную согласующую цепь, входной зажим которой соединен с выходным электродом последнего транзистора, а входной электрод каждого транзистора, кроме первого, соединен с выходным электродом предыдущего транзистора (возможно, через блокировочный конденсатор, что определяется видом цепей питания и не влияет на высокочастотное согласование каскадов). При этом упомянутые транзисторы являются полевыми транзисторами, входной электрод у которых является истоком, выходной электрод является стоком, управляющие электроды являются затворами, а между входным и выходным электродами каждого транзистора включены дополнительные конденсаторы, являющиеся внутренними межэлектродными емкостями между стоком и истоком полевого транзистора.
Использование указанных конденсаторов позволяет исключить из схемы усилителя с каскадным суммированием мощностей межкаскадные цепи согласования.
Это происходит следующим образом.
е
и
m
и
В этом устройстве входной сигнал через входную согласующую цепь поступает на исток первого полевого транзистора и генерирует в нем ток истока, содержащий активную составляющую RI и реактивную составляющую II, сдвинутую по фазе по отношению к активной на +π/2.
T
H
Нагрузочное сопротивление транзистора R в усилителе меньше сопротивления нагрузки каскада R, а выходная емкость каскада, подлежащая компенсации в выходной цепи, определяется соотношением
ds
где C является выходной емкостью полевого транзистора (см. фиг.2).
ds
gd
ds
Выходная емкость полевого транзистора состоит, в основном, из емкости между стоком и истоком транзистора C, а другая часть емкости - между затвором и стоком транзистора C, существенно меньше по сравнению с C. Именно это различие дает возможность получить необходимый полезный эффект.
Полное выходное согласование в усилителе (что требует компенсации выходной емкости каскада), реализуется, когда напряжение между затвором и общей шиной синфазно напряжению между стоком и затвором транзистора и синфазно активной составляющей тока истока транзистора.
ds
В усилителе, построенном на полевом транзисторе, во входном токе, кроме реактивной составляющей, как это упоминалось выше, имеется дополнительная реактивная составляющая, которая создается током, текущим через емкость C - выходную емкость полевого транзистора. Поскольку напряжение на этой емкости, равное напряжению между стоком и истоком транзистора, и в условиях выходного согласования противофазно выходному напряжению каскада, то оказывается, что реактивная составляющая входного тока каскада усилителя в условиях выходного согласования сдвинута на - π/2 по отношению к активной.
Выходное согласование полевого транзистора подразумевает активный характер и постоянство нагрузочного сопротивления транзистора во всей полосе частот выходного согласования. Соответственно, можно утверждать, что в полосе частот выходного согласования усилителя его входное сопротивление может быть представлено схемой замещения в виде параллельной R-C цепочки. Но в отличие, например, от усилителей на биполярных транзисторах, входная емкость каскада в
рассматриваемом усилителе оказывается отрицательной, так как реактивная составляющая входного тока сдвинута на -π/2 по отношению к активной составляющей входного тока. Подчеркнем, что все это справедливо только в ограниченной полосе частот полного выходного согласования.
Эта отрицательная входная емкость каскада на полевом транзисторе в усилителе может быть использована для нейтрализации выходной емкости предыдущего каскада. Тем самым можно исключить из схемы усилителя с каскадным суммированием мощностей межкаскадные согласующие цепи, содержащие индуктивности.
Таким образом, в таком устройстве многокаскадного транзисторного усилителя использование полевых транзисторов, включенных по схеме с общим затвором, и конденсаторов, включенных между затворами транзисторов и общей шиной, позволяет исключить из схемы усилителя межкаскадные цепи согласования и нейтрализации входной и выходной емкостей каскадов, что дает возможность упростить конструкцию усилителя, а также осуществлять изготовление усилителей с каскадным суммированием мощностей в виде твердотельных микросборок, интегральных схем или вакуумных сборок.
Однако, как показала практика, эта конструкция усилителя, принятого за прототип, имеет существенный недостаток, ограничивающий возможность его использования в линейных режимах работы (класс А) и препятствующий его использованию в нелинейных режимах (классы АВ, В и С).
з
В схеме усилителя-прототипа, как уже отмечалось выше, функционально значимыми элементами, ответственными за эффективную и равномерную загрузку всех каскадов, являются конденсаторы с емкостью С, соединяющие затворы каждого транзистора с общей шиной (землей).
з
з
M
Монтажные выводы этих конденсаторов (или коммутационные дорожки на печатной плате) неизбежно имеют некоторую индуктивность. Эти индуктивности создают совместно с емкостями конденсаторов последовательные колебательные контура. Импеданс Z цепи, соединяющей затвор каждого транзистора с общей шиной, составленной из конденсатора с емкостью С и индуктивности монтажных выводов L, определяется известной формулой:
где F - частота воздействующего сигнала.
рез
На частотах резонанса этих контуров F, определяемых соотношением
сопротивление цепей, соединяющих затворы транзисторов с общей шиной, обращается в ноль:
На этих частотах усилитель теряет энергетическую устойчивость. Как правило, указанные частоты резонансов лежат за пределами рабочей полосы частот и практически не влияют на форму амплитудно-частотной характеристики усилителя. Но само существование указанных резонансов делает вероятным самовозбуждение усилителя, работающего в классе А (без высших гармонических составляющих), например, в результате переходных процессов при включении усилителя. При работе усилителя в режимах классов АВ, В или С, как только появляется высшая гармоническая составляющая сигнала, частота которой совпадает с частотой резонанса одного из контуров, появление возбуждения неизбежно, в результате чего усилитель полностью теряет работоспособность.
Другим недостатком известного усилителя является низкий коэффициент усиления мощности. Этот недостаток обусловлен тем, что известный усилитель построен по принципу схемы с общим затвором (общей базой), и связан с необходимостью инжектировать на вход усилителя высокочастотный ток очень большой величины, не меньшей, чем ток нагрузки.
Полезная модель решает задачу повышения эффективности работы высокочастотного усилителя с каскадным суммированием мощностей за счет обеспечения его энергетической устойчивости, в том числе в области резонансных частот, и увеличения его коэффициента усиления мощности.
Для решения этой задачи в усилитель высокой частоты с каскадным суммированием мощностей, содержащий входную согласующую цепь, N транзисторов по числу каскадов, имеющих входной, выходной и управляющий электроды, причем выходной электрод предыдущего транзистора соединен со входным электродом последующего транзистора, выходную согласующую цепь, входной зажим которой соединен с выходным электродом N-го транзистора, и N-1 конденсаторов, каждый из которых одним выводом подсоединен к управляющему электроду транзистора, начиная со второго, дополнительно введены N-1 резисторов по числу конденсаторов, подключенных между вторым электродом каждого конденсатора и общей шиной.
Кроме того, для увеличения коэффициента усиления усилителя в нем выходной зажим входной согласующей цепи соединен с управляющим электродом первого транзистора, а входной электрод первого транзистора соединен с общей шиной.
Сущность полезной модели заключается в следующем.
м
Так как цепи, соединяющие управляющий электрод каждого транзистора, кроме входного, с общей шиной, в отличие от усилителя - прототипа, содержат последовательно соединенные конденсатор, индуктивность (например, индуктивность монтажных выводов L, о которой уже упоминалось выше), а также введенный в устройство резистор, то на частотах резонанса этих цепей их импеданс не обращается в ноль и оказывается резистивным, т.е.
з
где R - величина сопротивления дополнительно введенных резисторов.
Следовательно, в отличие от усилителя - прототипа, условия для самовозбуждения усилителя не возникают, и усилитель не теряет энергетической устойчивости, даже на резонансных частотах.
С другой стороны, в заявленном усилителе транзистор входного каскада включается по схеме с общим истоком, тогда как в прототипе транзистор входного каскада включен по схеме с общим затвором. Изменение схемы включения транзистора входного каскада позволяет резко уменьшить входной ток усилителя (так как ток затвора всегда меньше тока истока) при том же значении входного напряжения, а значит, мощность, необходимая для возбуждения усилителя по заявке, существенно меньше мощности, необходимой для возбуждения усилителя-прототипа. Следовательно, коэффициент усиления усилителя по заявке существенно больше коэффициента усиления усилителя-прототипа.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на Фиг.1 показана принципиальная схема заявленного усилителя с каскадным суммированием мощностей; на Фиг.2 - эквивалентная схема полевого транзистора, используемого в заявленном усилителе.
Усилитель с каскадным суммированием мощностей, как показано на фиг.1, содержит включенные последовательно входную согласующую цепь 1, N транзисторов 3 по числу каскадов, каждый из которых имеет входной (исток), выходной (сток) и управляющий (затвор) электроды, и выходную согласующую цепь 2, входной зажим которой соединен с выходным электродом N-го транзистора 2, а также N-1 конденсаторов 4, каждый из которых одним выводом подсоединен к управляющему электроду каждого транзистора 2, кроме входного транзистора.
Выходной электрод предыдущего транзистора соединен со входным электродом последующего транзистора.
Для исключения возможности самовозбуждения усилителя и сохранения его энергетической устойчивости в схему усилителя дополнительно введены N-1 резисторов 5, подключенных между вторым электродом каждого конденсатора 4 и общей шиной. Число резисторов 5 соответствует числу конденсаторов 4.
С целью увеличения коэффициента усиления, управляющий электрод первого транзистора 3 соединен с выходным зажимом входной согласующей цепи 1, а входной электрод первого транзистора 3 соединен с общей шиной.
Согласующие цепи 1 и 2 выполняются в зависимости от конкретного назначения усилителя и его конструктивных особенностей, рабочего диапазона частот, а также режима работы усилителя (линейный, нелинейный, импульсный), поэтому их поэлементные схемы на чертеже не показаны. Так, в частном случае выполнения, входная согласующая цепь 1 может быть выполнена, например, в виде последовательно включенных емкостного трансформатора и частотного корректора, а выходная согласующая цепь 2 в простейшем варианте может содержать только блокировочный конденсатор
Для установления режимов питания и смещения транзисторов 3 усилитель содержит цепь 6 управления режимами работы транзисторов, подключенную к электродам транзисторов, и выполненную по общепринятой схеме в зависимости от технологии изготовления усилителя (например, макросборка, элементная сборка и т.п.), от типа источника питания, например, по резистивной схеме, и т.д.
з
М
з
Для сохранения равномерности загрузки транзисторов 3 и постоянства амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) усилителя в полосе рабочих частот, важно, чтобы реакция всех цепей, соединяющих затворы транзисторов (3-2,...3-N) с общей шиной, носила емкостной характер, и определялась величиной емкости Сконденсаторов (4-2,...4-N). Для этого необходимо, чтобы значение дополнительного сопротивления, вносимого паразитной индуктивностью монтажа L и введенными резисторами R в полосе рабочих частот F, было существенно меньше сопротивления конденсаторов 4, т.е.
M
з
Именно из требований выполнения неравенства [5] выбирается технология монтажа усилителя (определяющая минимальные значения L) и номиналы R сопротивлений резисторов.
Заявленное устройство работает следующим образом.
Для приведения усилителя в рабочее состояние через цепь 6 управления режимами подается напряжение питания и смещения на электроды каждого из транзисторов 3. Высокочастотное напряжение, подаваемое на входной зажим входной согласующей цепи 1, передается на управляющий электрод первого транзистора 3-1. В соответствии с известными законами работы полевых транзисторов, в выходной цепи транзистора 3-1 генерируется высокочастотный ток, синфазный напряжению между истоком и затвором транзистора 3-1.
з
з
М
Этот ток поступает на входной зажим транзистора 3-2. Высокочастотный ток, генерируемый в цепи затвора транзистора 3-2, сдвинут по отношения к току истока на угол +π/2. Он проходит через цепь, соединяющую затвор этого транзистора с общей шиной и включающую конденсатор С (4-2), резистор R (5-2) и паразитную индуктивность монтажа L. В полосе рабочих частот при выполнении соотношения [5] эта цепь имеет практически емкостной характер, а значит, падение напряжения на этой цепи сдвинуто на угол - π/2 по отношению к току затвора транзистора 3-2. Тем самым, напряжение между общей шиной и входным электродом транзистора 3-2 оказывается синфазным току входного электрода транзистора 3-2.
Следовательно, входное сопротивление второго каскада усилителя оказывается чисто активным, и вся высокочастотная мощность, генерируемая транзистором первого каскада 3-1, поглощается на входе второго каскада, но не рассеивается на его элементах, а передается на выход второго каскада, дополненная высокочастотной мощностью, генерируемой транзистором 3-2 второго каскада. Далее процесс повторяется в третьем и последующих каскадах. По существу все каскады усилителя, начиная со второго, являются высокочастотными токовыми повторителями и усилителями напряжения. В результате в нагрузке усилителя суммируется мощность, генерируемая всеми транзисторами усилителя.
Таким образом, введение в схему заявленного усилителя с каскадным суммированием мощностей дополнительных резисторов, включенных в цепь управляющего электрода каждого транзистора, кроме первого, между конденсатором и общей шиной, и подключение первого транзистора по схеме с общим истоком позволяет достичь энергетической устойчивости усилителя на частотах, близких к резонансным, и способствует увеличению коэффициента усиления усилителя, соответственно, что приводит в конечном счете к повышению эффективности работы высокочастотного усилителя.