ДВУХКАСКАДНЫЙ ВЧ-УСИЛИТЕЛЬ
TWO-CASCADE HF-AMPLIFIER

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве устройства усиления аналоговых сигналов, в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения (например, широкополосных, ВЧ- и СВЧ-усилителях, фильтрах).
В современных устройствах радиосвязи и телекоммуникаций широко применяются усилительные каскады на транзисторах, включенных по схеме «общий эмиттер» (общий исток) или каскодной схеме «общий эмиттер - общая база», в которых роль коллекторной нагрузки выполняет корректирующая индуктивность (иногда колебательный контур). Это базовая архитектура различных радиоприемных и радиопередающих устройств, которая стала основой многих радиоэлектронных изделий [1-7].
вх
у
max
у
у
max
вх
вх
При практическом использовании таких ВЧ- и СВЧ-усилителей как двухкаскадных устройств с корректирующей индуктивностью в первом каскаде возникает проблема минимизации влияния входного сопротивления (R) второго каскада усиления на добротность Q колебательного контура входного каскада и общий коэффициент усиления двухкаскадной структуры (K) [1, 4]. Для получения Q=Q и K=K необходимо иметь R → ∞. Однако в практических схемах R определяется резисторами цепи установления статического режима второго каскада усиления, которые приходится выбирать высокоомными. Такое решение не следует считать оптимальным, т.к. повышение сопротивлений резисторов в цепи базы входного транзистора второго каскада усиления приводит к ухудшению ряда его параметров (стабильности статического режима, шумов, общей площади, занимаемой на подложке резисторами и т.п.).
Второе направление решения данной проблемы - применение трансформаторной связи со вторым каскадом усиления [3, 6] или так называемого неполного включения колебательного контура [1] (или корректирующей индуктивности с отводом). Однако это усложняет технологию изготовления индуктивности и устройства в целом.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству относится многокаскадный каскадный ВЧ-усилитель, предложенный в патенте ФРГ №1.512.725 fig.3. Он содержит входной транзистор 1 по схеме с общим эмиттером, база которого связана по переменному току с источником сигнала 2 и первым выходом цепи установления статического режима первого каскада 3, выходной транзистор 4, эмиттер которого соединен с коллектором входного транзистора 1, база подключена ко второму выходу цепи установления статического режима первого каскада 3, а коллектор через корректирующую индуктивность 5 соединен с шиной источника питания 6, второй каскад усиления 7, вход которого через разделительный конденсатор 8 соединен с коллектором выходного транзистора 4 и связан с первым выводом резистора цепи установления статического режима второго каскада 9.
Существенный недостаток известного двухкаскадного ВЧ-усилителя (ВЧУ) состоит в том, что в нем цепь установления статического режима второго каскада усиления оказывает отрицательное шунтирующее воздействие на первый (входной) каскад. В результате в двухкаскадном усилителе фиг.1 ухудшаются основные параметры - добротность (при построении избирательного усилителя), максимальный коэффициент усиления по напряжению, шумы и т.п.
Основная задача предлагаемого изобретения состоит в уменьшении влияния цепи установления статического режима второго каскада усиления ВЧУ на основные параметры устройства.
Дополнительная цель - упрощение цепи установления статического режима второго каскада усиления ВЧУ.
Поставленная задача решается тем, что в двухкаскадном ВЧ-усилителе, содержащем входной транзистор 1 по схеме с общим эмиттером, база которого связана по переменному току с источником сигнала 2 и первым выходом цепи установления статического режима первого каскада 3, выходной транзистор 4, эмиттер которого соединен с коллектором входного транзистора 1, база подключена ко второму выходу цепи установления статического режима первого каскада 3, а коллектор через корректирующую индуктивность 5 соединен с шиной источника питания 6, второй каскад усиления 7, вход которого через разделительный конденсатор 8 соединен с коллектором выходного транзистора 4 и связан с первым выводом резистора цепи установления статического режима второго каскада 9, предусмотрены новые элементы и связи - второй вывод резистора цепи установления статического режима второго каскада 9 подключен к эмиттеру выходного транзистора 4.
Схема усилителя-прототипа показана на фиг.1, на фиг.2 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с п.1 и п.2 формулы изобретения.
На фиг.3 приведена схема заявляемого ВЧУ в соответствии с п.3, а на фиг.4 - п.4 формулы изобретения.
На фиг.5 показана схема заявляемого ВЧУ фиг.2 в среде компьютерного моделирования Cadence на моделях интегральных транзисторов HJW, а на фиг.6 - график частотной зависимости его коэффициента усиления по напряжению.
Схема ВЧУ-прототипа фиг.1 в среде Cadence приведена на фиг.7.
На фиг.8 показаны амплитудно-частотные характеристики сравниваемых схем фиг.5 и фиг. 7.
На фиг.9 показана модифицированная схема заявляемого устройства фиг.2 в среде компьютерного моделирования Cadence на моделях интегральных транзисторов HJW.
На фиг.10 приведены амплитудно-частотные характеристики сравниваемых ВЧУ фиг.7 и фиг.9.
На фиг.11 показана схема предлагаемого ВЧУ фиг.4 в среде компьютерного моделирования Cadence на моделях интегральных транзисторов HJW.
у
14
8
На фиг.12 приведена амплитудно-частотная характеристика ВЧУ фиг.11, а на фиг.13 - графики частотной зависимости K схемы фиг.11 при разных значениях сопротивления резистора R=R=R.
Двухкаскадный ВЧ-усилитель фиг.2 содержит входной транзистор 1 по схеме с общим эмиттером, база которого связана по переменному току с источником сигнала 2 и первым выходом цепи установления статического режима первого каскада 3, выходной транзистор 4, эмиттер которого соединен с коллектором входного транзистора 1, база подключена ко второму выходу цепи установления статического режима первого каскада 3, а коллектор через корректирующую индуктивность 5 соединен с шиной источника питания 6, второй каскад усиления 7, вход которого через разделительный конденсатор 8 соединен с коллектором выходного транзистора 4 и связан с первым выводом, резистора цепи установления статического режима второго каскада 9. Второй вывод резистора цепи установления статического режима второго каскада 9 подключен к эмиттеру выходного транзистора 4. Здесь цепь установления статического режима первого каскада 3 содержит в частном случае источник тока 11, р-n переходы 12 и 13, конденсатор 14 и резистор 15.
Кроме этого, на фиг.2, в соответствии с п.2 формулы изобретения второй каскад усиления 7 выполнен на первом дополнительном транзисторе 16 по схеме с общим эмиттером, база которого является входом второго каскада усиления 7, а коллектор через первый 17 дополнительный двухполюсник нагрузки связан с шиной источника питания 6 и подключен к выходу устройства.
На фиг.3, в соответствии с п.3 формулы изобретения второй каскад усиления 7 выполнен по каскодной схеме «общий эмиттер - общая база» на втором 18 и третьем 19 дополнительных транзисторах, причем коллектор третьего 19 дополнительного транзистора связан с шиной источника питания 6 через второй 20 дополнительный двухполюсник нагрузки, а база третьего 19 дополнительного транзистора соединена с базой выходного транзистора 4.
На фиг.4, в соответствии с п.4 формулы изобретения второй каскад усиления 7 выполнен на полевом транзисторе 25 по схеме с общим истоком, затвор которого является входом второго каскада усиления 7, а цепь установления статического режима первого каскада содержит элементы 21, 22, 23 и 24.
Рассмотрим вначале работу ВЧ-усилителя фиг.2 на постоянном токе.
Статический ток коллектора входного транзистора 1 определяется цепью установления его статического режима 3:
к1
к4
где I=I - коллекторные токи транзисторов 1 и 4;
11
I - ток двухполюсника 11.
2
Статический режим входного транзистора 16 второго каскада усиления 7 определяется напряжением U на втором выходе цепи установления статического режима 3 и при небольших сопротивлениях резистора 9 находится по формуле
к16
где I - коллекторный ток транзистора 16.
Таким образом, в предлагаемой схеме фиг.2 статические токи транзисторов 1, 4, 16 определяются двухполюсником 11 цепи установления статического режима первого каскада 3. Причем температурная стабильность этих токов получается достаточно высокой благодаря одинаковому температурному дрейфу напряжений на диодах 12, 13, с одной стороны, и напряжений эмиттер-база транзисторов 4 и 16, с другой.
б.16
9
Рассмотрим далее работу схемы на переменном токе. Пусть выходное напряжение первого каскада и, следовательно, входное u второго каскада усиления имеют положительное приращение. Это приводит к увеличению на величину i тока через резистор 9, который передается в эмиттер, затем в коллектор транзистора 4 и, далее, через разделительный конденсатор 8 на вход второго каскада 7:
4
где α=0,98-0,99 - коэффициент усиления по току эмиттера транзистора 4;
9
R - сопротивление резистора 9.
Поэтому эффективное значение сопротивления резистора 9 цепи установления статического режима второго каскада повышается
9
9.эф
Например, если R=1 кОм, то R=50÷100 кОм.
Таким образом, несмотря на малые значения сопротивления резистора цепи установления статического режима второго каскада (R9), который определяет статический режим второго каскада усиления 7, его влияние на коэффициент усиления и другие параметры двухкаскадного устройства фиг.2 ослабляется на один-два порядка.
Данные выводы подтверждаются компьютерным моделированием схем фиг.5, 7, 9, 11, представленным на фиг.10, 12, 13.
Таким образом, предлагаемый двухкаскадный ВЧ-усилитель имеет существенные преимущества в сравнении с прототипом.
Источники информации
1. Агаханян Т.М. Проектирование электронных устройств на интегральных операционных усилителях: Учебное пособие. - М.: МИФИ, 2008. - С.742-746.
2. Фалькович С.Е., Музыка З.Н. Чувствительность радиоприемных устройств с транзисторными усилителями. - М.: Энергия, 1970. - С.115-116, рис.41, 42.
3. Крылов Г.М., Вишневская А.В. Проектирование логарифмических усилителей с непрерывным детектированием сигнала. - М.: Энергия, 1970. - 144 с., рис.42, стр.98.
4. Горбань Б.Г. Широкополосные усилители на транзисторах. - М.: Энергия, 1975. - C.139, рис.5-5.
5. Патент ФРГ №1512725, fig.3.
6. Королев В.И., Кучумов А.И. Училители-ограничители. - М.: Энергия, 1976. - С.102, рис.51, стр.100, рис.47.
7. Патент США №6127984, fig.3.