Делаем усилитель мощности высокой частоты (УМВЧ)

Ну, в-общем, генератор мы сделали, и это оказалось ну совсем не сложно и не так страшно, как обещало быть. Собственно, зря боялись. Если теперь подключить к верхней (по схеме) стороне колебательного контура антенну, то свежесгенерированный ВЧ-сигнал торжественно полетит в эфир.

На повестке дня вопрос: а как далеко он улетит??? А вот тут начинаются сложности. Сгенерить то мы сгенерили, но мощность нашего генератора - просто мизерная. Да собственно, это и правильно: генератор не обязан обладать выдающимися мощностями выходного сигнала. Его задача - несколько в ином - сгенерировать сигнал со стабильной частотой. Значит, рано нам еще в эфир:(Для начала, нужно этот сигнал усилить. То есть - увеличить его мощность.

Что такое мощность?
Как вы, конечно же, помните, мощность - это произведение напряжения на ток: P=UI .

То есть, чтобы увеличить мощность, необходимо усилить либо напряжение либо ток, либо и то и другое. Однако ток зависит от напряжения, а напряжение - от тока (закон Ома, кто не знает - тот отдыхает:)). Так что же мы будем усиливать?

А и то и другое!

Для этого нам нужно достать из коробочки еще один транзистор и сделать на нем усилительный каскад .

Усилительный каскад - это как-бы "ступень" в усилителе. Любой усилитель состоит из одного или нескольких усилительных каскадов. Каждый каскад обладает своим коэффициентом усиления (к.ус.). Общий к. ус. всего усилителя равен произведению к. ус. всех его каскадов.

Рисуем схему:

Как видите, и вход и выход схемы сделаны в виде трансформаторов. Это нужно для того, чтобы отсечь постоянный ток, если таковой будет. Как мы помним, трансформатор пропускает только переменный ток.
Он то нам и нужен.

Первичной обмоткой трансформатора T1 будет контурная катушка генератора.

Вторичная обмотка подключена непосредственно к базе транзистора. Соответственно, когда ток будет идти в направлении базы ("снизу-вверх"), транзистор будет открываться, и "дергать" колебательный контур, включенный в коллекторную цепь.

Заметим, что этот колебательный контур должен быть настроен на ту же частоту, что и контур генератора…

Ах да! Я же еще об этом не говорил!

Дело в том, что у каждого колебательного контура есть своя частота резонанса или резонансная частота (кому как нравится). То есть - частота, с которой происходят свободные колебания в этом контуре. Поскольку генератор просто-напросто поддерживает "на плаву" эти свободные колебания - то частота генератора также равна резонансной частоте контура.

Чем же определяется эта частота?
Конечно же - параметрами элементов, из которых состоит контур - катушки и конденсатора.

Какие же параметры есть у этих двух товарищей?

Начнем с конденсатора . Его самое главное свойство - это емкость . Емкость определяет, какой заряд сможет принять в себя конденсатор. На водяной модели мы бы назвали емкостью объем наших несчастных бутылок. Емкость обозначают латинской С и измеряют в Фарадах [Ф]. Фарада - женского рода, запомните это.

Кроме того, Фарада - это очень большая величина. Для сравнения - емкость нашей родной планеты - всего 0,000711 Ф. Поэтому чаще используют более мелкие единицы: микро-, нано- и пикофарады.

1мкФ = 0,000 001 Ф
1 нФ = 0,001 мкФ = 0,000 000 001 Ф
1 пФ = 0,001 нФ = 0,000 000 000 001 Ф

Существует такое правило: на схемах емкости конденсаторов обозначают либо в пикофарадах, либо - в микрофарадах. При этом, пишется только число без букв. Например:

С1 - 1000
С2 - 47,0
С3 - 0,1
С4 - 560

Так вот, запомните: если в числе, обозначаемом емкость, есть запятая - значит это микрофарады, если запятой нет - то это пикофарады. В приведенном примере C1 и C4 указаны в пФ, C2 и C3 - в мкФ.
Нанофарады выражают до 10нФ - через пико-, после 10 нФ - через микрофарады.

А как вы думаете, каким свойством обладает катушка индуктивности ? Ни за что не догадаетесь! Ну?...

Не догадались? Катушка индуктивности обладает индуктивностью . Все очень просто!

Мы уже говорили, что у катушки - чрезвычайно скверный характер. Она препятствует увеличению тока, когда он хочет увеличиваться, и уменьшению - когда он хочет уменьшаться. Вредная она!

Так вот, индуктивность - это показатель степени "вредности" катушки. Чем больше индуктивность - тем невыносимее ее характер. На водяной модели "индуктивность" турбины зависела от массы колеса, сидящего на ее оси. Значит, индуктивность, переводя на механику, можно назвать "инерционностью"…
Индуктивность обозначается буквой L и выражается в Генри [Гн].

Мы чаще всего будем юзать единицу, в миллион раз мельче - микрогенри (мкГн).

Ну что, готовы к сложностям?
Поехали!

Вот вам формула расчета резонансной частоты колебательного контура. Желательно, чтобы она занимала в вашей памяти 2-й приоритет после закона Ома. А еще лучше - если они будут наравне:)

Как видите, и L и C стоят в знаменателе - значит частота тем больше, чем меньше емкость конденсатора и чем, опять же, меньше индуктивность катушки. В принципе, это было и так понятно. Достаточно лишь вспомнить водяную модель колебательного контура и немножко подумать.

Кстати, важный момент: все единицы в формуле (в этой, да и во всех остальных) ставятся в абсолютных, а не кратных значениях. Так что, если нам требуется, скажем, узнать резонансную частоту контура, в котором C = 100 пФ, L = 40 мкГн - то придется сначала перевести емкость в Фарады, а индуктивность - в Генри. И результат мы получим, опять же, в Герцах, а не в Мегагерцах, или чем-то там еще. Увы - этот мир не совершенен… :(

Ну да ладно. Пора заканчивать лирическое отступление. Короче вы поняли - у любого контура есть fрез. Ура!

Так вот, нам нужно, чтобы резонансные частоты контуров генератора и усилителя совпадали. Иначе наш усилитель ничего усилить не сможет.

Вы часом в детском саду не прыгали на пружинных кроватях? Не увлекались, нет?
Кайф - хочу я вам сказать - неописуемый, как сейчас помню!

Немного углубимся в физику сего процесса.
Матрас "хочет" колебаться со строго определенной частотой. У него, знаете ли, тоже есть резонансная частота. Она зависит от упругости матраса и массы прыгающего.
Если частота ваших прыжков совпадает с частотой колебания матраса - то все в порядке, прыгаем высоко и весело. Но стоит сбиться с ритма, попытаться прыгать медленнее или быстрее - и у нас ничего не выйдет, и колебания матраса затухнут:(

То же самое и с нашим усилителем: если транзистор будет "дергать" колебательный контур, подключенный к его коллектору, с частотой, равной частоте резонанса этого контура - то ток будет прыгать высоко и немножко даже весело.

Но если "сбиться", уменьшить или увеличить частоту "дерганья" - ритм собьется и никакого усиления не получится…

Ну в-общем, вот так… Соответственно, с колебательного контура усилителя мы уже подаем сигнал в антенну. Делаем мы это опять же через трансформатор - для согласования сопротивлений усилителя и антенны.

ЧЕГО? Я и про это еще не рассказывал??? Ну да, не рассказывал… Ничего, расскажу! Но - попозже…

Широкополосные высокочастотные усилители

В большинстве случаев радиолюбительского конструирования при проектировании высокочастотных устройств следует отдавать предпочтение монолитным интегральным схемам. Однако когда необходимо обеспечить высокую чувствительность и широкий динамический диапазон, могут оказаться полезны приведенные ниже схемы усилителей с реактивной ООС.

Усилитель на рис. 2.1-1 предназначен для применения во входных каскадах УВЧ и УПЧ. Он имеет широкий динамический диапазон и линейную АЧХ в широком диапазоне частот. При некотором изменении индуктивностей и емкостей усилитель применим в диапазоне от 1 до 300 МГц.

Схема на рис. 2.1-2 идентична схеме рис. 2.1-1 за исключением того, что в данном случае усилитель может непосредственно подключаться к симметричной нагрузке. Если требуется отличный от указанного на схеме выходной импеданс, то изменяют количество витков в обмотках (1-2) и (1"-2") высокочастотного трансформатора Тр1 (зависимость здесь квадратичная, например, при количестве витков в этих обмотках 5(1-2)+5(1"-2") получим выходной импеданс 50 Ом. а при 20(1-2)+20(1"-2") - 800 Ом).

Усилитель на рис. 2.1-3 предназначен для применения в каскадах, которые требуют высокого входного импеданса. Он также обеспечивает широкий динамический диапазон и линейную АЧХ. Входное сопротивление усилителя более 1 кОм. При необходимости уменьшить это значение, дроссель L1 заменяют резистором соответствующего номинала или изменяют его индуктивность так, чтобы реактивное сопротивление на рабочей частоте равнялось требуемому входному сопротивлению.

Во всех описываемых усилителях применяются широкополосные трансформаторы идентичной конструкции. Обратите внимание на то. что используемый ферритовый сердечник должен быть рассчитан на применение в рабочем диапазоне частот усилителя.

Количество витков в трансформаторах определяется как типом (размером и магнитной проницаемостью) сердечника, так и диапазоном частот, в котором предполагается применение усилителя.

Указанные соотношения справедливы и для трансформаторов, применяемых в приведенных ниже схемах смесителей. Расположение и плотность намотки подбирают для достижения наилучших параметров цепей.

На рис. 2.1-4, для примера, приведена схема универсального генератора с применением усилителя по схеме 2.1-3 Такой генератор может применяться в радиостанциях, в качестве гетеродина в приемных устройствах или для измерительных целей.

Рис. 2.1-1 Усилительный каскад для входных трактов высокочувствительных УВЧ и УПЧ

Изображение:

Рис. 2.1-2 Усилительный каскад с симметричным выходом

Изображение:

Рис. 2.1-3 Усилительный каскад с высоким входным сопротивлением

Изображение:

Рис. 2.1-4 Универсальный ВЧ генератор

Изображение:

Ф.1 Определение количества витков в трансформаторах

Изображение:

2. Смесители

Смесители

Смесители на рис. 2.1-5 и рис. 2.1-6 работают на частотах 1-300 МГц (формулы расчета индуктивностей см. выше). Обе схемы вносят затухание 5...6,5 дБ, обеспечивают широкую полосу пропускания и применимы в самых разнообразных конструкциях.

Рис. 2.1-5 Простой балансный и кольцевой балансный смеситель

Изображение:

2. Схемы усиления и обработки сигналов низкой и средней частоты.

Схемы усиления и обработки сигналов низкой и средней частоты.

1. Малошумящий предварительный усилитель с низким входным сопротивлением.

Малошумящий предварительный усилитель с низким входным сопротивлением

Усилитель на рис. 2.2-1 имеет входное сопротивление 5Ом, полученное благодаря применению ПОС и ООС в определенных соотношениях. Часть эммитерного сигнала транзистора VT2, поступающего на базу VT1, создает ООС, а коллекторный сигнал VT3 - ПОС. Благодаря низкому входному сопротивлению значительно улучшены шумовые характеристики усилителя. Спектральная плотность собственных шумов при разомкнутом входе составляет 2*10(-4) мкВ/Гц. Коэффициент усиления равен 40. Полоса пропускания определяется емкостью С1.

Рис. 2.2-1 Малошумящий предварительный усилитель с низким входным сопротивлением

Изображение:

2. Малошумящий предварительный усилитель с высоким входным сопротивлением.

Малошумящий предварительный усилитель с высоким входным сопротивлением

На входе усилителя на рис. 2.2-2 применен полевой транзистор в схеме с ОИ. Второй каскад выполнен на биполярном транзисторе по схеме с ОЭ. В усилителе две петли ООС. С коллектора транзистора VT2 через цепочку R6, СЗ сигнал обратной связи подается в исток полевого транзистора, а с истока через конденсатор С2 и резистор R3 на затвор VT1. Наличие второй ООС позволяет увеличить входное сопротивление усилителя до десятков мегаом и снизить входную емкость.

Коэффициент усиления может быть установлен от 1 до 100, при этом изменяется также полоса пропускания. Для коэффициента усилиния равного 4 полоса пропускания лежит в пределах 100Гц-40 МГц. Входное сопротивление 30 МОм, максимальное выходное напряжение 1,5 В.

Рис. 2.2-2 Малошумящий предварительный усилитель с высоким входным сопротивлением

Изображение:

3. Микрофонный усилитель.

Микрофонный усилитель

На рис. 2.2-3 приведена схема микрофонного усилителя, встраиваемого в держатель микрофона и питаемого через двужильный кабель. Схема работает с динамическими микрофонами и характеризуется хорошей помехозащищенностью. Выходной сигнал снимается с резистора R4. Смещение в базу транзистора VT1 и температурная стабилизация усилителя обеспечиваются делителем R2 и R3. Резистор R1 является нагрузкой первого каскада и осуществляет ООС во втором каскаде. Обратная связь снижает нелинейные искажения и обеспечивает выходное сопротивление 600 Ом. Полоса пропускания 16-12500 Гц. Коэффициент усиления 200.

Рис. 2.2-3 Принципиальная схема микрофонного усилителя

Изображение:

4. Микрофонный усилитель с коррекцией,совмещенный со схемой подавления шумов для радиостанций и переговорных устройств.

Микрофонным усилитель с коррекцией, совмещенный со схемой подавления шумов для радиостанций и переговорных устройств

Схема на рис. 2.2-4 построена на основе микросхемы КР1401УД2, которая содержит в своем составе четыре идентичных ОУ. Первая часть схемы (элементы DA1.1. DA 1.2) выполняет

функцию микрофонного усилителя с последующей коррекцией АЧХ, динамическим изменением коэффициента усиления в зависимости от уровня сигнала и ограничением амплитуды выходного сигнала (что необходимо, например, для ограничения глубины модуляции в радиостанциях). Вторая часть схемы (DA1.3, DA1.4)

осуществляет подавление шумов в НЧ сигнале, что необходимо для предотвращения воспроизведения постоянного звукового фона в радиостанциях, переговорных устройствах и т.п.

Уровень срабатывания системы шумоподавления регулируется резистором R13, громкость выходного сигнала НЧ - резистором R 17. Подстроечники R3, R5 устанавливают в положение наилучшей слышимости полезного сигнала при наибольшем ослаблении шумов при отключенном ШП. Конденсатор С16 подбирают для обеспечения требуемой полосы пропускания микрофонного усилителя. Номинал резистора R24 зависит от конструкции звукоприемника и типа применяемого микрофона. Также можно сказать и про резистор R22, который регулирует коэффициент усиления каскада на ОУ DA1.2.

Рис. 2.2-4 Схема микрофонного усилителя с коррекцией АЧХ и широким динамическим диапазоном, совмещенный со схемой подавления шум

Изображение:

5. Устройство подавления импульсных помех.

Устройство подавления импульсных помех

На рис. 2.2-5 приведена принципиальная схема симметричного ограничителя, осуществляющего ограничение кратковременных импульсных помех. Полоса пропускания до 100 кГц. При частоте полезного сигнала 3 кГц, уровень импульсной помехи, превышающем уровень сигнала в 300-500 раз и длительности помехи 20-30 мкс, схема снижает уровень помехи на 30-40 дБ.

Рис. 2.2-5 Схема устройства для подавления импульсных помех

Изображение:

6. Последовательный смеситель сигналов.

Последовательный смеситель сигналов

Смеситель на рис. 2.2-6 построен на двух полевых транзисторах. Первый транзистор является динамической нагрузкой второго. Гетеродинный сигнал, который подается на затвор VT2, модулируется преобразуемым сигналом, подводимым к затвору VT1. При небольших значениях входного сигнала выходной сигнал линейно зависит от входного. При входном сигнале более 1,2В появляются нелинейные искажения. Смеситель работает в звуковом диапазоне частот. На частотах свыше 500 кГц начинают сказываться межэлектродные емкости ПТ, которые уменьшают коэффициент передачи смесителя.

Рис. 2.2-6 Принципиальная схема последовательного смесителя сигналов

Изображение:

3. Элементы устройств автоматики.

Элементы устройств автоматики.

1. Усилитель для емкостных датчиков.

Лямбда-диод

Изображение:

Изображение:

Рис. 2.3-3 Лямбда-диод

Изображение:

2. Кабельный усилитель для выносного датчика.

Усилитель для емкостных датчиков

На рис. 2.3-1 приведена схема предварительного усилителя для емкостных датчиков с низковольтным питанием. Потребляемый ток - 10 мА, входное сопротивление - 1 МОм, выходное сопротивление - 5 кОм. Напряжение отсечки VT1 должно быть меньше 1 В.

Кабельный усилитель для выносного датчика

Для передачи сигналов датчиков, удаленных от измерительных приборов, применяют усилители, выходной сигнал и напряжение питания в которых подаются по одному кабелю. На рис. 2.3-2 приведена схема со 100% ООС (Rвх=2*10^3 МОм, Свх=2,5 пФ). Коэффициент передачи в диапазоне частот от 10 Гц до 50 МГц лежит в пределах 0,9-0,92. Шумы усилителя в полосе частот 5 Гц -300 кГц составляют 10 мкВ при замкнутом входе. Для уменьшения внешних наводок на входные цепи необходима тщательная экранировка всего усилителя, особенно, входных цепей и датчика.

Лямбда-диод

Устройство на рис. 2.3-3 состоит из двух полевых транзисторов разной проводимости. При нулевом напряжении на затворе оба транзистора проводят. В схеме они включены в цепь ООС пос-

ледовательно по отношению один к другому. Протекающий через транзистор VT1 ток создает на VT2 падение напряжения, закрывающее VT1. В свою очередь, сопротивление VT2 меняется в зависимости от падения напряжения на VT1. Таким образом, с увеличением протекающего тока оба транзистора стремятся закрыться. Когда падение напряжения на транзисторах достигает уровня отсечки, протекающий ток будет близким к нулю. Для транзистора КП103И напряжение отсечки равно 4 В, для транзистора КП3О3Д напряжение отсечки равно 8 В.

Рис. 2.3-1 Усилитель для емкостных датчиков

Рис. 2.3-2 Кабельный усилитель для выносного датчика

Рис. 2.3-3 Лямбда-диод

3. Лямбда-диод.

Усилитель для емкостных датчиков

На рис. 2.3-1 приведена схема предварительного усилителя для емкостных датчиков с низковольтным питанием. Потребляемый ток - 10 мА, входное сопротивление - 1 МОм, выходное сопротивление - 5 кОм. Напряжение отсечки VT1 должно быть меньше 1 В.

Кабельный усилитель для выносного датчика

Для передачи сигналов датчиков, удаленных от измерительных приборов, применяют усилители, выходной сигнал и напряжение питания в которых подаются по одному кабелю. На рис. 2.3-2 приведена схема со 100% ООС (Rвх=2*10^3 МОм, Свх=2,5 пФ). Коэффициент передачи в диапазоне частот от 10 Гц до 50 МГц лежит в пределах 0,9-0,92. Шумы усилителя в полосе частот 5 Гц -300 кГц составляют 10 мкВ при замкнутом входе. Для уменьшения внешних наводок на входные цепи необходима тщательная экранировка всего усилителя, особенно, входных цепей и датчика.

Лямбда-диод

Устройство на рис. 2.3-3 состоит из двух полевых транзисторов разной проводимости. При нулевом напряжении на затворе оба транзистора проводят. В схеме они включены в цепь ООС пос-

ледовательно по отношению один к другому. Протекающий через транзистор VT1 ток создает на VT2 падение напряжения, закрывающее VT1. В свою очередь, сопротивление VT2 меняется в зависимости от падения напряжения на VT1. Таким образом, с увеличением протекающего тока оба транзистора стремятся закрыться. Когда падение напряжения на транзисторах достигает уровня отсечки, протекающий ток будет близким к нулю. Для транзистора КП103И напряжение отсечки равно 4 В, для транзистора КП3О3Д напряжение отсечки равно 8 В.

Рис. 2.3-1 Усилитель для емкостных датчиков

Рис. 2.3-2 Кабельный усилитель для выносного датчика

Рис. 2.3-3 Лямбда-диод

4. Преобразователи напряжения и тока.

Преобразователи напряжения и тока.

1. Умножители напряжения.

Умножители напряжения

При разработке высоковольтных схем большое значение на простоту и качество работы устройства оказывает выбранная схема преобразования. Ниже приведено несколько схем умножителей напряжения для применения в самых разнообразных устройствах.

На рис. 2.4-1 представлены схемы удвоителей напряжения. Емкости во всех удвоителях выбирают одинаковыми. Рабочее напряжение конденсаторов должно с запасом перекрывать показанное на схемах. Соответствующим образом необходимо выбирать и диоды. Чем больше ток необходимый в нагрузке, тем большую емкость должны иметь конденсаторы. Естественно, что при повышении напряжения с помощью диодно-емкостных умножителей ток нагрузки пропорционально снижается.

Аналогичным образом, производится умножение в три и более раза.

Приводимые здесь схемы умножителей могут использоваться в преобразователях напряжение-напряжение. Для примера, приведена схема применения диодного умножителя на 2 (рис. 2.4-5).

Преобразователь (рис. 2.4-5) состоит из генератора, собранного на транзисторах VT1,VT2 и диодно-конденсаторного умножителя. Частота генератора определяется С 1 и резисторами Rl, R2. Выходной сигнал генератора проходит умножающую цепочку и заряжает конденсатор С5. Умножитель рассчитан на выходной ток до 10 мА. Для увеличения тока нагрузки необходимо поставить эмитгерный повторитель после генератора и увеличить емкости конденсаторов С2-С4.

Рис. 2.4-1 Схемы удвоителей напряжения

Изображение:

Рис. 2.4-2 Схемы умножения на три, шесть и восемь

Изображение:

Рис. 2.4-3 Схема умножения на четыре, преобразователь напряжения

Изображение:

2. Преобразователь "напряжение-ток ".

Преобразователь "напряжение-ток"

В схеме преобразователя на рис. 2.4-6 коллекторный ток транзистора VT4 определяется выражением: Ikvt4=Uвх/R1. Этот ток вызывает падение напряжения на переходе коллектор-эмиттер транзистора VT1. Так как VT1 и VT2 - одного типа, то напряжение на VT2 будет аналогичным, и, соответственно, протекающий через VT2, VT3 ток будет совпадать с током в VT4. Максимальный выходной ток определяется допустимой мощностью рассеивания транзистора VT3. Для токов выше 5 мА нелинейность преобразования составляет не более 1%. В качестве DA1 можно использовать любой ОУ серий К544. К574, включенный по типовой схеме.

Преобразователь "ток-напряжение"

Преобразователь на рис. 2.4-7 построен по принципу усиления напряжения, которое возникает при протекании тока через резистор R6. Схема обеспечивает Uвых = К*Iвх- Коэффициент преобразования схемы К = R6*(R3/R4). Для настройки ОУ при Iвх=0 служит резистор R2. Часть входного тока ответвляется в цепь R1, R2, R3. Резистор R6 - проволочный (нихром).