Регулируемые усилители

В регулируемых усилителях имеется возможность управления коэффициентом усиления (уровнем выходного сигнала) с целью предотвращения перегрузки оконечного устройства (или выходных каскадов УУ), создание комфортных условий прослушивания аудиопрограмм (в усилителях звуковых частот), калибровки измерительных усилителей и т.д. Регулировка может быть ручной или автоматической, плавной или ступенчатой. Регулировка усиления может осуществляться как специальными цепями, включаемыми в схему усилителя, так и отдельными устройствами, называемыми аттенюаторами. Аттенюаторы, в свою очередь, могут как встраиваться в усилитель, так и подключаться к его входу. Выполняются аттенюаторы как на пассивных элементах, так и на активных.

Эффективность регулировки оценивается ее глубиной - отношением коэффициентов усиления, соответствующих двум крайних положением регулятора. Глубину регулировки часто выражают в децибелах.

При решении вопроса о месте постановки регулятора в многокаскадный усилитель следует учитывать то обстоятельство, что помимо коэффициента усиления регулирующая цепь может менять и другие параметры усилительных каскадов, например, . Поэтому регулировку не рекомендуется вводить во входной каскад усилителя, поскольку это скажется на входном сопротивлении усилителя в целом. Постановка регулятора в выходной каскад может привести к перегрузке промежуточных каскадов, т.е. наиболее целесообразно вводить регулировку в один из промежуточных каскадов. Не рекомендуется вводить регулировку в петлю общей ООС из-за снижения ее эффективности.

Чаще всего в усилителях звуковых частот применяется потенциометрическая схема регулировки усиления (рисунок 7.1а), осуществляемая включением регулирующего переменного резистора по схеме потенциометра, который изменяет коэффициент деления поданного на него напряжения.

При малых громкостях человеческое ухо хуже воспринимает звуки низких и высоких частот. Поэтому в усилителях звуковых частот применяют так называемый тонкомпенсированный регулятор. На рисунке 7.1а тонкомпенсирующие цепи образованы элементами . При малых уровнях громкости за счет цепи происходит завал АЧХ в областях СЧ и ВЧ, с помощью конденсатора на ВЧ этот завал компенсируется, в результате АЧХ имеет вид, показанный на рисунке 7.1б.

Потенциометрический регулятор обеспечивает глубину плавной регулировки не более 40дБ, для получения большей глубины регулировки возможно последовательное включение нескольких подобных регуляторов.

Плавную регулировку усиления глубиной до 20дБ можно осуществить введением в каскад с ОЭ (ОИ) ПООСТ путем включения регулировочного резистора в цепь эмиттера (истока) как показано на рисунке 7.2.

Величину регулировочного резистора можно определить из соотношения:

,

где - крутизна усилительного элемента (БТ или ПТ), - в относительных единицах.

Глубина регулировки такого типа регуляторов ограничивается действием паразитной емкости, шунтирующей резистор , приводящей к шунтированию регулировочного резистора в потенциометрическом регуляторе в области ВЧ, и подъему АЧХ в области ВЧ (выброса ПХ в области МВ) за счет перекоррекции (см. подраздел 2.13) в регуляторе с помощью введения ПООСТ.

Ступенчатые регуляторы представляют собой делители напряжения, состоящие из резисторов (рисунок 7.3).

Из-за входной емкости каскада, следующего за делителем, коэффициент передачи резисторного делителя зависит от частоты. Для устранения частотной зависимости все резисторы делителей шунтируются подстроечными конденсаторами, емкость которых определяется из условия равенства постоянных времени плеч делителя, например , причем выбирается с учетом входной емкости следующего каскада, в качестве может выступать входная емкость каскада без дополнительного конденсатора, однако в этом случае влияние изменения будет сказываться сильнее.

Если усилитель предназначен для работы в согласованном тракте передачи (т.е. , где - характеристическое сопротивление тракта передачи), то ступенчатый регулятор целесообразно выполнить на основе симметричных аттенюаторов Т- и П-типов [11] (рисунок 7.4а,б).

Для П-образной схемы аттенюатора номиналы элементов определяются из следующих соотношений:

Номиналы Т-образной схемы аттенюатора определяются следующим образом:

Практическая схема ступенчатого регулятора на 18 дБ для 75 омного тракта передачи, работающего в диапазоне рабочих частот (0…150)МГц, приведена на рис.7.5.

Схема построена на основе одинаковых П-образных звеньев с затуханием в шесть децибел. В зависимости от положения переключателей данный регулятор обеспечивает затухание от 0 до 18 дБ с шагом 6 дБ.

Подобный регулятор обычно располагают между источником сигнала и входом усилителя. В связи с тем, что входное и выходное сопротивления данного регулятора не зависят от уровня вносимого затухания, величина частотных и временных искажений, создаваемых входной цепью, также остается постоянной при разных уровнях затухания.

В усилительных устройствах, применяемых в современной аудио- и видеоаппаратуре, широко применяются электронные регуляторы [12], позволяющие вручную или автоматически изменять коэффициент передачи тракта по закону, определяемому функцией управления.

В электронных регуляторах потенциометрического типа (рисунок 7.6) в качестве управляемых сопротивлений используются диоды, фотосопротивления, БТ и ПТ.

В диодном потенциометрическом регуляторе (рисунок 7.6а) в качестве управляемых сопротивлений используются диоды и , управляемые прямым током. Диапазон регулирования диодных аттенюаторов достигает 40дБ при токах регулирования (0…2.2)мА. Диодным регуляторам свойственны существенные недостатки:

¨ отсутствие развязки цепей управления и сигнала;

¨ значительная мощность, потребляемая цепью управления;

¨ существенные нелинейные искажения сигнала при большом затухании.

Подобными свойствами обладает и аттенюатор на БТ (рисунок 7.6б), т.к. переходы транзистора выполняют функции диодов.

Электронный регулятор на основе оптрона (рисунок 7.6в) обеспечивает практически идеальную развязку цепей управления и сигнала, но требует затраты значительной мощности в цепи управления светодиодом.

По совокупности свойств наилучшими показателями обладает регулятор на основе ПТ (рисунок 7.6г), используемого в качестве управляемого сопротивления. Цепь управления практически не потребляет мощности ввиду практического отсутствия тока затвора у ПТ. Поскольку в цепи сигнала нет p-n переходов, а имеется лишь омическое сопротивление, то нелинейные искажения, вносимые подобным аттенюатором, минимальны. В отличие от ранее рассмотренных схем регуляторов, данная схема позволяет работать без постоянной составляющей в выходной цепи.

Регулировку коэффициента передачи усилительных каскадов можно осуществить путем изменения режима работы усилительных элементов, поскольку в этом случае изменяются их эквивалентные параметры, в частности, крутизна (см. подраздел 2.4). На рисунке 7.7 показано, как осуществляется такая регулировка в каскаде на БТ (рисунок 7.7а), каскаде на ПТ (рисунок 7.7б) и в дифференциальном усилителе (рисунок 7.7в). Регулируемый каскад на основе ДУ позволяет достичь глубины регулировки порядка (60…70)дБ при повышенной термостабильности .

Перспективным является способ регулировки на основе ИМС перемножителя (рисунок 7.7г). Интегральные перемножители реализуют функцию

,

где К - масштабный коэффициент.

Регуляторы на основе перемножителей способны осуществлять регулировку напряжения с амплитудой порядка десятков вольт и точностью порядка 1% [12], однако сама ИМС перемножителя имеет достаточно сложное схемное решение.

Возможно включение электронного регулятора в цепь ООС. Примером подобного решения может служить регулятор на основе ОУ, в цепь ООС которого включен ПТ, используемый в качестве управляемого сопротивления (рисунок 7.8).

Напряжение управления в рассмотренных электронных регуляторах можно менять в необходимых пределах с помощью переменного резистора, который может быть установлен в удобном для эксплуатации месте, например, на передней панели корпуса прибора. Из-за развязки цепи управления и цепи сигнала влияние соединительных проводников будет минимальным.

Напряжение управления может быть получено с выхода детектора, если используется автоматическая регулировка усиления (АРУ). Схемы усилителей с АРУ и авторегуляторами уровня рассмотрены в [12].

7.2. Усилители диапазона СВЧ·

В настоящее время разработаны и успешно эксплуатируются различные системы передачи информации СВЧ диапазона: радиорелейные линии, системы космической связи "Орбита", "Экран", "Москва" и т.п., системы непосредственного телевещания диапазона 12ГГц, системы космической навигации, службы погоды и т.д.

Важными компонентами этих систем являются широкополосные усилители (ШУ), работающие в качестве предварительных усилителей, усилителей промежуточных частот (ПЧ), видеоусилителей и т.д.

Как правило, подобные усилители работают в согласованном тракте передачи с характеристическим сопротивлением 50 и 75 Ом. Тракт передачи может быть реализован в виде волновода, коаксиального кабеля, микрополосковой линии и т.п.

В качестве активных элементов в ШУ наиболее часто используют биполярные СВЧ транзисторы и полевые транзисторы с барьером Шоттки. БТ используют в диапазоне частот до 2 ГГц, ПТ с барьером Шоттки - до 100ГГц.

Транзисторные усилители СВЧ могут выполняться по схемам каскадных усилителей, усилителей распределенного усиления, каскадно-распределенных и балансных.

В каскадных усилителях наиболее часто используют каскады с ОЭ (ОИ), реже с ОБ (ОЗ) из-за проблемы согласования с характеристическим сопротивлением тракта в широком частотном диапазоне. Поскольку коэффициент усиления транзистора с ростом частоты уменьшается, то расчет ШУ и согласование нагрузок проводят для верхней частоты рабочего диапазона. Избыточное усиление в области НЧ и СЧ устраняют так называемыми выравнивающими цепями, которые могут быть реактивными и диссипативными (с потерями).

Диссипативные выравнивающие цепи рассчитывают так, чтобы обеспечить требуемый , хорошее согласование с характеристическим сопротивлением тракта передачи (малый КСВН) и устойчивость в диапазоне рабочих частот. В дециметровом диапазоне рабочих частот выравнивающие цепи могут быть реализованы в виде цепей с сосредоточенными параметрами, на более высокочастотном - с распределенными параметрами. Примеры простейших диссипативных выравнивающих цепей приведены на рисунке 7.9, причем более сложный вариант (рисунок 7.9б) - для сверхширокополосных усилителей ( ).

Задача согласования и выравнивания коэффициента передачи в диапазоне рабочих частот облегчается при использовании ООС. При резистивной ООС (рисунок 7.10а) достигается широкополосное согласование в каскаде на ПТ. В сверхширокополосных усилителях используют комбинированные резистивно-индуктивные цепи ООС (рисунок 7.10б), с помощью которых осуществляется эффективное выравнивание АЧХ.

Усилители с распределенным усилением (УРУ) (рисунок 7.11) позволяют достичь большой мощности выходного сигнала на низкоомной нагрузке за счет сложения токов транзисторов в выходной линии. Однако УРУ отличает сложная схемная реализация и низкий КПД.

Каскадно - распределенные усилители (рисунок 7.12), сочетая достоинства каскадных и УРУ, позволяют получить хорошие мощностные характеристики в широкой полосе рабочих частот при относительно простой схемной реализации. Выбором и добиваются одинакового усиления по току транзисторов и . Поскольку выходные токи транзисторов складываются в нагрузке, то возможно использование данного каскада на частотах, близких к используемых транзисторов.

Балансные ШУ (рисунок 7.13) позволяют уменьшить паразитную обратную связь между транзисторами при их каскадировании, что позволяет увеличить устойчивый коэффициент усиления. Наличие направленных ответвителей (НО) существенно увеличивает габариты балансных усилителей.

Для расчета СВЧ усилителей наиболее широко используется система S-параметров (параметров рассеяния). При этом транзистор представляют в виде четырехполюсника, нагруженного на стандартные опорные сопротивления, как правило, равные волновому сопротивлению применяемых передающих линий (рисунок 7.14).

Выбор S-параметров обусловлен относительной простотой обеспечения режима согласования на СВЧ (по сравнению, скажем, с режимом короткого замыкания при измерении Y-параметров), и, следовательно, корректностью их экспериментального определения, а также ясным физическим смыслом, а именно:

- коэффициент отражения от входа при согласованном выходе;

- коэффициент отражения от выхода при согласованном входе;

- коэффициент усиления в прямом направлении при согласованном выходе;

- коэффициент усиления в обратном направлении при согласованном входе.

Для анализа передаточных характеристик СВЧ усилительных устройств также используют обобщенный метод узловых потенциалов, эквивалентные Y-параметры определяются через измеренные параметры рассеяния:

,

,

,

,

где .

Параметры рассеяния транзистора (или любого четырехполюсника) можно рассчитать по его эквивалентной схеме, используя все тот же обобщенный метод узловых потенциалов:

,

где - нормировочный коэффициент, равный:

- для ,

- для ,

для и ;

- символ Кронекера, =1, если i=j, и =0, если i¹j.

Ввиду сложности эквивалентных схем усилительных элементов и наличия распределенных структур, расчет передаточных характеристик усилителей СВЧ диапазона возможен только с помощью ЭВМ. Используя современные пакеты проектирования РЭУ, базы данных элементов и готовых схемных решений, разработчики имеют возможность, не проводя дорогостоящего натурного моделирования, получить ожидаемые реальные значения передаточных характеристик. С помощью ЭВМ возможно построение оптимальной топологии подложки усилителей, что позволяет полностью автоматизировать процесс проектирования усилителей СВЧ.

В настоящее время транзисторные СВЧ усилители выполняются, как правило, в гибридно-интегральном исполнении или в виде полупроводниковой интегральной микросхемы (монолитная технология) со стандартным напряжением питания. В качестве подложки при гибридном исполнении наиболее часто используются поликор, сапфир. Пассивные элементы выполняются по тонко- или толстопленочной технологии. Наилучшим материалом для выполнения контактных площадок, перемычек, выводов бескорпусных транзисторов является золото. Корпуса СВЧ усилителей выполняют из металла, имеющего одинаковый температурный коэффициент расширения с материалом подложки (например, поликор - титан). Для подключения СВЧ усилителей к тракту передачи используют СВЧ разъемы различной конструкции.

Самой современной является технология выполнения СВЧ усилителей по монолитной технологии. Этому способствовали успехи в создании высококачественного эпитаксиального арсенида галлия с высокой однородностью параметров по площади больших размеров, промышленно освоенная технология получения полевых транзисторов с длиной затвора до 0,5мкм, изучение методов расчета и исследование технологии изготовления сосредоточенных пассивных элементов в диапазоне рабочих частот до 20 ГГц, промышленное освоение технологии селективного ионного легирования арсенида галлия, создание математических моделей активных и пассивных элементов в сочетании с развитием методов машинного проектирования.

При изготовлении ИС СВЧ усилителей в большинстве случаев используется полуизолирующий арсенид галлия. Его конкурентом является сапфир, используемый в технологии "кремний на сапфире". В ИС миллиметрового диапазона волн в качестве подложки применяется чистый кремний.

При создании ИС СВЧ процессы схемотехнического проектирования, конструирования и технологии неразделимы. Технология изготовления ИС СВЧ основана на использовании уникальных свойств арсенида галлия в сочетании с методами ионной имплантации. Изолирующие свойства подложки из арсенида галлия, имеющего удельное сопротивление до Ом×см, дают возможность изготовить на одном кристалле арсенида галлия ИС, содержащую активные приборы, пассивные цепи СВЧ и схемы питания.

Преимуществом ШУ СВЧ, выполненных в виде монолитных ИС, являются малые габаритные размеры и масса, широкая полоса рабочих частот из-за отсутствия стыковок и паразитных реактивностей, уменьшение доли ручного труда, воспроизводство рабочих характеристик и т.д.

К недостаткам ИС СВЧ усилителей является сложность технологии изготовления, высокие затраты на разработку, низкий процент выхода годных схем, сложность с отводом тепла от активных элементов, худшие электрические параметры (без подстройки). Подстройка возможна, если в схеме и конструкции предусмотрена возможность изменения режима работы активных элементов и параметров корректирующих цепей, цепей ООС и т.д. Для ИС, выполненных по монолитной технологии, проводят разбраковку по допустимому интервалу допусков.