Схемы мощных ламповых вч двухтактных усилителей мощности. Схемотехника усилителей: Усилители высокой частоты (УВЧ)

Предлагаемый вниманию читателей высокочастотный усилитель может найти самое широкое применение. Это и антенный усилитель для радиоприемника, и усилительная приставка к осциллографу с низкой чувствительностью канала вертикального отклонения, и апериодический усилитель ПЧ, и измерительный усилитель.

Вход и выход усилителя рассчитаны на включение в иинию с волновым сопротивлением 75 Ом. Полоса рабочих частот усилителя 35 кГц- 150 МГц при неравномерности на краях диапазона 3 дБ. Максимальное неискаженное выходное напряжение 1 В, коэффициент усиления (при нагрузке 75 Ом) - 43 дБ, коэффициент шума на частоте 100 МГц -4,7 дБ. Питается усилитель от источника напряжением 12,6 В, потребляемый ток 40 мА.

Принципиальная схема усилителя приведена на рисунке. Он представляет собой две последовательно включенные усилительные ячейки, в каждой из которых резистивные усилительные каскады на транзисторах N1, Т3 нагружены на эмиттерные повторители на транзисторах Т2, Т4. Для расширения динамического диапазона ток через последний эмиттерный повторитель выбран равным около 20 мА. Амплитудная и частотная характеристики усилителя сформированы элементами цепи час-тотнозависимой обратной связи R4C2, R10C5 и дросселями простой высокочастотной коррекции Др1 и Др2.

Конструктивно усилитель выполнен на печатной плате из фольгированного стеклотекстолита и помещен в латунный посеребренный корпус.

Разъемами служат высокочастотные соединители СР-75-166 Ф. Высокочастотные дроссели Др1 и Др2 бескаркасные. Их обмотки содержат по 10 витков провода ПЭВ-1 0,25, диаметр обмоток 5 мм.

Если усиление 43 дБ является чрезмерным, можно использовать только одну усилительную ячейку, причем в зависимости от целевого назначения либо на транзисторах T1. Т2 с напряжением питания + 5 В, либо на транзисторах Т3, Т4 с напряжением питания +12,6 В. В первом случае ниже коэффициент шума, однако меньше и максимальное выходное напряжение (около 400 мВ); во втором случае коэффициент шума несколько выше, зато максимальное напряжение на,нагрузке 75 Ом составляет 1 В. Усиление обеих усилительных ячеек примерно одинаково (21-22 дБ) во всем диапазоне указанных рабочих.частот, причем при использовании одной ячейки полоса частот еще шире (от 30 кГц до 170 МГц при неравномерности на краях диапазона 3 дБ).

В заключение необходимо отметить, что при сборке усилителя обязательно строгое соблюдение требований, предъявляемых к монтажу в дециметровом диапазоне.

Источник: Радио 7/76

Потребляемый ток - 46 мА. Напряжение в цепи смещения V bjas определяет уровень выходной мощности (коэффициент передачи) усилителя

Рис.33.11. Внутреннее строение и цоколевка микросхем TSH690, TSH691

Рис. 33.12. Типовая включения микросхем TSH690, TSH691 в качестве усилителя в полосе частот 300- 7000 МГц

и может регулироваться в пределах 0-5,5 (6,0) В. Коэффициент передачи микросхемы TSH690 (TSH691) при напряжении смещения V bias =2,7 В и сопротивлении нагрузки 50 Ом в полосе частот до 450 МГц составляет 23(43) дБ, до 900(950) МГц - 17(23) дБ.

Практическая включения микросхем TSH690, TSH691 приведена на рис. 33.12. Рекомендуемые номиналы элементов: С1=С5=100- 1000 пФ; С2=С4=1000 пФ; С3=0,01 мкФ; L1 150 нГн; L2 56 нГн для частот не свыше 450 МГц и 10 нГн для частот до 900 МГц. Резистором R1 можно регулировать уровень выходной мощности (можно использовать для системы автоматической регулировки выходной мощности).

Широкополосный INA50311 (рис. 33.13), производимый фирмой Hewlett Packard, предназначен для использования в аппаратуре подвижной связи, а также в бытовой радиоэлектронной аппаратуре, например, в качестве антенного усилителя или усилителя радиочастоты. Рабочий диапазон усилителя 50-2500 МГц. Напряжение питания - 5 В при потребляемом токе до 17 мА. Усредненный коэффициент усиления

Рис. 33.13. внутреннего строения микросхемы ΙΝΑ50311

10 дБ. Максимальная мощность сигнала, подводимого к входу на частоте 900 МГц, не более 10 мВт. Коэффициент шума 3,4 дБ.

Типовая включения микросхемы ΙΝΑ50311 при питании от стабилизатора напряжения 78LO05 приведена на рис. 33.14.

Рис. 33.14. широкополосного усилителя на микросхеме INA50311

Шустов М. А., Схемотехника. 500 устройств на аналоговых микросхемах. - СПб.: Наука и Техника, 2013. -352 с.

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…

Принято считать, что разработка высокочастотных усилителей - занятие гораздо более сложное, чем разработка усилителей низкочастотных. Действительно, ведь при этом приходится учитывать гораздо большее количество разнообразных электромагнитных эффектов и процессов в цепях. Но зачастую оказывается, что реальное схемотехническое воплощение такого усилителя достаточно редко отходит от некоторой шаблонной структуры. Дело здесь в том, что при проектировании высокочастотных усилителей стремятся в первую очередь не увеличивать выходную мощность при минимизации линейных и нелинейных искажений, а достичь максимальной чувствительности и высокой устойчивости каскада в широком частотном диапазоне, т.е. требования к высокочастотным усилителям обычно сильно отличаются от требований к усилителям низкочастотным.

Типичная структура высокочастотного усилителя представляет собой последовательное соединение трех звеньев: входного согласующего звена (это обычно довольно простые \(LC\)-цепочки, вносящие минимальные потери, обеспечивающие согласование с предшествующим каскадом и грубо формирующие частотную характеристику), основного усилительного звена (транзистор, включенный с ОЭ, ОБ или ОК, возможно с внутрикаскадной ООС, обеспечивающей устойчивость и широкий динамический диапазон в широком спектре частот), выходного фильтра, окончательно формирующего частотную характеристику каскада и обеспечивающего согласование на его выходе (здесь могут использоваться достаточно сложные \(LC\)-фильтры, фильтры на ПАВ, пьезокерамические, кварцевые фильтры и т.п.). Межкаскадные связи в высокочастотных усилителях обычно выполняются с помощью емкостей, связанных индуктивностей или высокочастотных широкополосных трансформаторов (здесь мы намеренно опускаем вопросы проектирования интегральных усилителей, это совершенно отдельная тема, и о ней будет сказано позднее). Рассмотрим по порядку причины, которые так жестко регламентируют описанную структуру усилительного каскада.

Различные схемы включения транзистора (ОЭ, ОБ, ОК) обладают различными входными и выходными параметрами (какими именно, мы будем анализировать позднее). Для высокочастотных усилителей вопросы согласования каскадов по входу и выходу оказываются важны (по мере роста частоты все важнее, а для усилителей диапазона СВЧ вообще обязательны). Отсутствие согласования приводит к росту искажений сигнала, его переотражению обратно на вход предшествующего каскада, за счет чего уменьшается общий коэффициент усиления схемы, а главное - к росту неустойчивости схемы, что может привести к ее самовозбуждению. Чтобы избежать всех этих эффектов, при проектировании высокочастотных схем принимаются специальные меры по согласованию импедансов , т.е. выходной импеданс первого каскада должен быть равен (или, в крайнем случае, должен быть ниже) входному импедансу последующего каскада (заметим, что для низкочастотных усилителей, учитывая необходимость повышения КПД, мы обычно стремимся, чтобы входной импеданс усилительного каскада был гораздо выше выходного импеданса предшествующего каскада). Именно для согласования импедансов на входе высокочастотного каскада приходится включать специальные цепочки. Заметим также, что включать слишком сложные, вносящие достаточно высокие потери фильтры на входе высокочастотных усилительных каскадов (если только это не оконечные каскады) не принято. И без того довольно слабый высокочастотный сигнал может просто затеряться в шумах после прохождения таких фильтров.

Напрашивается простой вопрос: а зачем необходимо так старательно контролировать все возможные цепи обратной связи? Дело в том, что наличие или отсутствие таких цепей оказывает определяющее воздействие на устойчивость усилителя. Существует целая теория устойчивости, позволяющая предсказывать поведение самых разнообразных схем. Основной проблемой здесь является то, что схема, вроде бы нормально работающая при тестовых испытаниях, когда на нее подается чистый полезный сигнал, может оказаться легковозбудимой вне рабочей полосы усиления, т.е. в реальном устройстве, где всегда имеются некоторые помехи и нежелательные продукты интермодуляции, действующие вне рабочей полосы, такая схема работать не сможет. Потеря устойчивости вызывает значительные нелинейные искажения сигнала, а в пределе схема может самовозбудиться, превратившись из усилителя в генератор. Не следует думать, что данная проблема отсутствует в низкочастотных усилителях. Но там она оказывается гораздо более предсказуемой и управляемой, так что не вызывает очень уж серьезных затруднений при проектировании усилителей. А вот в высокочастотных усилителях неконтролируемое самовозбуждение может проявляться даже в тщательно просчитанных и профессионально собранных схемах.

Различные проблемы в каскадах усиления высокой частоты приводят к тому, что общий коэффициент усиления таких каскадов оказывается гораздо ниже коэффициента усиления аналогичных низкочастотных схем. Дополнительную проблему создают многочисленные фильтры, которые формируют частотную характеристику усилителя, но при этом также существенно ослабляют и полезный сигнал. Таким образом, для обеспечения достаточно высокого усиления на высокой частоте приходится строить многокаскадные усилители с числом каскадов, существенно превышающим то, что мы привыкли видеть в низкочастотных схемах.

В общем случае нет какой-либо универсальной методики построения схем высокочастотных усилителей, а приведенная выше структура - это лишь некий среднестатистический вариант, который может существенно изменяться в случае необходимости. Имеет смысл выделить два широких класса усилителей: широкополосные (к ним относятся и апериодические ) и узкополосные (к ним относятся и резонансные ) усилители.

Узкополосные усилители . Структурная схема узкополосного высокочастотного усилителя включает все стандартные звенья, описанные выше. Но кроме этого в состав узкополосного усилителя могут входить дополнительные пассивные цепи, предназначенные для формирования требуемой полосы пропускания и обеспечения устойчивости усилителя за пределами рабочей полосы частот (стабилизирующие цепи ).

Проблема формирования полосы пропускания является очень важной при разработке узкополосных усилителей, поскольку высокочастотные транзисторы активны в широкой полосе частот. Сформировать требуемую полосу пропускания можно, например, с помощью фильтра сосредоточенной селекции (ФСС), включенного на входе или выходе транзистора. ФСС на входе ослабляет действие помех, предотвращает нелинейные искажения, обусловленные их взаимодействием с сигналом (интермодуляционные искажения), и тем самым повышает помехоустойчивость усилителя. Однако фильтр, включенный на входе, вносит в усилитель дополнительные потери и увеличивает его коэффициент шума. Потери фильтра на центральной частоте полосы пропускания тем больше, чем полоса уже. К ФСС на входе предъявляются более жесткие требования, чем к фильтру, включенному на выходе транзистора. Другой возможный способ формирования полосы пропускания - с помощью резонансных звеньев, включаемых последовательно с транзистором или в цепи обратной связи. Резонансные усилители имеют узкую полосу пропускания и высокий коэффициент усиления. Их основной отрицательной чертой является меньшая по сравнению с широкополосными каскадами устойчивость. За пределами рабочей полосы частот в области потенциальной неустойчивости усилитель может возбудиться помехами и продуктами интермодуляции. Для предотвращения этого в схемы узкополосных усилителей вводят стабилизирующие цепи с потерями, которые не оказывают влияния на работу каскада в рабочей полосе частот, но шунтируют цепи протекания сигнала в областях потенциальной неустойчивости.

Отметим, что такие функции, как согласование импедансов, формирование полосы пропускания и обеспечение устойчивости усилителя, не обязательно должны выполняться различными пассивными цепями - одна цепь может использоваться для выполнения сразу нескольких функций.

Широкополосные усилители . При проектировании широкополосных усилителей следует учитывать то обстоятельство, что коэффициент усиления при любом включении транзистора уменьшается с ростом частоты, поэтому расчет таких усилителей и согласование нагрузок обычно производят не на центральной, а на верхней частоте рабочего диапазона (в качестве согласующих цепей в таких усилителях часто используют широкополосные трансформаторы ). Избыточное усиление, проявляющееся на нижних частотах диапазона, устраняют так называемыми выравнивающими цепями . Последние могут быть выполнены в виде реактивных или диссипативных цепей (простейший пример выравнивающей цепи - обыкновенный конденсатор, включенный последовательно в цепь протекания сигнала; на верхней частоте рабочего диапазона его сопротивление оказывается ниже сопротивления на нижней частоте, т.е. низкочастотные сигналы при протекании через такую цепь будут подавляться в большей мере, чем сигналы высокочастотные).

В усилителях с реактивными выравнивающими цепями корректировка коэффициента усиления в полосе пропускания осуществляется за счет рассогласования (увеличения коэффициента отражения) на входе усилителя с понижением частоты. Однако при сильном рассогласовании усилители могут самовозбуждаться. В этом случае предпочтительным оказывается использование диссипативных цепей.

При использовании диссипативных выравнивающих цепей избыточное усиление компенсируется в поглощающих элементах цепей, затухание которых возрастает с уменьшением частоты (вспомним пример с конденсатором, хотя сам по себе одиночный конденсатор и нельзя считать диссипативной цепью, но принцип очень похож). Коэффициенты отражения от входа и выхода при этом получаются малыми. Диссипативные выравнивающие цепи одновременно могут использоваться и в качестве стабилизирующих, т.е. для подавления усиления за пределами полосы пропускания, хотя эти функции могут выполняться и разными цепями.

Что касается схем включения биполярных транзисторов в высокочастотных усилителях , то и они также во многом зависят от назначения усилителя.

В малошумящих усилителях входных трактов высокочувствительной аппаратуры предпочтение отдается схемам с ОЭ и с ОБ. Схемы с ОЭ безусловно устойчивы в широкой полосе частот и имеют очень большой динамический диапазон, что делает их практически незаменимыми в многокаскадных схемах усиления промежуточной частоты. Схемы с ОБ в большей части частотного дипазона, как правило, потенциально неустойчивы. Для преодоления этого недостатка такие схемы должны охватываться достаточно глубокой внутрикаскадной ООС. Но, с другой стороны, усилители на транзисторах во включении с ОБ обладают лучшими шумовыми свойствами (что предопределяет их более высокую чувствительность), в них может быть получено значительно большее усиление, чем в схемах с ОЭ, причем коэффициент усиления в каскадах с ОБ довольно слабо зависит от частоты. Увеличение усиления связано с сужением полосы пропускания и уменьшением запаса устойчивости усилителя. Кроме того, большие коэффициенты усиления могут быть реализованы лишь при больших сопротивлениях нагрузки, а это затрудняет создание согласующих цепей. Широкополосные усилители, учитывая проблемы с устойчивостью схемы с ОБ, обычно строят по схеме с ОЭ, а узкополосные - как по схеме с ОЭ, так и по схеме с ОБ, причем транзисторы во включении с ОБ позволяют получать значительно более узкие полосы пропускания. Каскад с ОК может применяться в усилителях мощности, его свойства на высоких частотах во многом похожи на свойства каскада с ОЭ, однако из-за присутствия глубокой ООС на практике каскады с ОК оказываются несколько более высокочастотными, чем аналогичные каскады с ОЭ.

Эта схема ВЧ усилителя передатчика (на 50 МГц) имеет 100 Вт выходной мощности. Данный УВЧ использовал с моим FT-736R для DX SSB. Он усиливает сигнал ровно в 10 раз. Устройство прекрасно подходит для автомобильных радиостанций таксистов, работающих в диапазонах 50 и 27 МГц (с перестройкой контуров).

Если вы хотите построить этот радиочастотный усилитель, собирайте его на двухсторонней печатной плате - для увеличения площади заземления. Транзистор 2SC2782 нуждается в приличном радиаторе. Максимальная мощность на выходе - 120W.

Схема усилителя мощности ВЧ

Рисунок печатной платы

Технические характеристики усилителя:

• Входная Мощность: 10W
• Выходная Мощность: 100W
• Рабочая Частота: 50-52MHz
• Режим работы: FM - SSB
• Рабочее Напряжение: 10-16 В постоянного тока
• Рабочий Ток: 10 ампер.

Схема была взята с одного китайского сайта и успешно повторена, только не использовались элементы детектора автоматического переключения приём-передача (на схеме зачёркнуты). Для создания УВЧ на частоты от 100 мегагерц - воспользуйтесь .