Широкополосный двунаправленный усилитель

Широкополосный двунаправленный усилитель
Мой интерес к двунаправленным трансиверам возник после рассмотрения двунаправленных
усилителей с RC цепочками в книге Experimental Methods in RF Design (стр. 6.61).
Проанализировав схему, был сделан вывод: схема простая по конструкции и работает устойчиво.
Такой каскад вытекает из простого широкополосного усилителя:
У любого биполярного транзистора величина тока, протекающего от коллектора к эмиттеру,
зависит от величины тока, протекающего от базы к эмиттеру. Таким образом, если появляется
небольшое изменение тока базы, то ток коллектора меняется в очень больших пределах. Это
является максимально упрощенным пояснением работы усилительного каскада.
В приведенной выше схеме слабый высокочастотный сигнал через сопротивление источника Rin
подается на базу транзистора Q1. Допустим, что напряжение источника увеличивается.
Транзистор, соответственно, усиливает ток базы и увеличивается ток коллектора, протекающий
через резистор нагрузки Rl (220 Ом). Это, в свою очередь, уменьшает падение напряжения на
коллекторе. Так как напряжение на коллекторе уменьшается, то и уменьшается ток базы через
резистор между базой и коллектором. В результате, схема приходит к сбалансированному
состоянию, при котором, возрастающий ток базы компенсируется уменьшающимся током через
резистор Rl с коллектора. Фактически, коэффициент передачи по току каскада определятся
значением сопротивления обратной связи (Rf). Входное сопротивление такого каскада очень мало
и должно быть примерно равно сопротивлению источника Rin.
Таким образом:
Uin/Rin = Uout/Rf (формула 1)
Другой фактор связан с тем, что эмиттер не подключен к «земле». На радиочастотах эмиттер
подключен к «земле» через резистор 10 Ом. Таким образом, при изменении напряжении на базе,
напряжение на эмиттере будет также меняться, следуя за изменением напряжения на базе.
Переменное напряжение на Re (10 Ом) варьируется в зависимости от значения этого
сопротивления но более-менее остается таким же как и на базе. Ток эмиттера будет больше
состоять из тока коллектора и значительно меньшего тока базы. В результате, ток эмиттера
практически равен току коллектора,
Ie = Uin / Re = Uout / Rl (формула 2)
Объединяем эти две формулы и получаем:
Uout / Uin = Rf / Rin = Rl / Re. (формула 3)
Это важное уравнение, особенно, если рассмотреть его правую часть:
Rf / Rin = Rl / Re. (формула 4)
Давайте посмотрим на интересные вещи:
1. Усиление по напряжению, а так же входной и выходной импедансы определяются
значениями сопротивлений резисторов и не зависят от параметров самого транзистора. Мы
только предполагаем, что транзистор достаточно высокочастотный и может работать на
нашей частоте. Граничная частота транзистора ограничивает верхнюю границу диапазона,
на которой использован этот усилитель. Это означает, что мы можем свободно менять один
транзистор на другой.
2. Усиление по мощности не зависит от типа транзистора. Мы получаем значительно меньшее
усиление чем то на что способен транзистор. Но, усиление одинаково во всем частотном
диапазоне для данного усилителя. Этот факт говорит о том, что усилитель безусловно
будет стабильным т.е., иметь одинаковое усиление на различных частотах.
3. Вы можете еще раз обратиться к формуле 3: Rf * Re = Rl * Rin . Это выражение означает что
при фиксированных значений сопротивлений Rf и Re, входной и выходной импедансы
взаимозависимы. Увеличение одного приводит к уменьшению другого, и наоборот!
Например, на рисунке 1, Rf = 1000 Ом, Re = 10 Ом и если у Вас Rin 50 Ом, то выходное
сопротивление определяется как (1000 * 10)/50 = 200 Ом. Соответственно, если у Вас Rin
200 Ом, тогда выходное сопротивление будет 50 Ом!
Чтобы сделать двунаправленный усилитель, мы включаем встречно-параллельно два таких
усилительных каскада. При раздельном питании усилителей в составе двунаправленного каскада
мы можем управлять направлением усиления. Эта топология используется в цепях сигналов
данного трансивера. Диоды у коллекторов предотвращают попадание сигнала на резистор цепи
коллектора (220 Ом) отключенного транзистора с входа другого транзистора. При ближайшем
рассмотрении становится видно, что обратная связь для переменного напряжения состоит из двух
параллельных резисторов по 2,2 кОм, в результате чего сопротивление обратной связи составляет
всего 1,1 кОм. Таким образом, приведенный анализ действителен для любых режимов
двунаправленного усилителя.
Диодные смесители
Диодные смесители изначально являются широкополосными и двунаправленными. Это и хорошо,
и плохо. Хорошо потому что конструкция не критична к параметрам трансформатора – будь там 8
витков или 20 витков - это не играет роли, а лишь отражается на границах частотного диапазона.
Отрицательные моменты более серьезны, но трудно объяснимы. Представьте себе, что выход
гипотетического смесителя подключен к следующему каскаду и неверно настроен по частоте (не
согласован – прим. переводчика). В таком случае мощность с выхода смесителя не может быть
передана в последующий каскад и остается в смесителе. Обычно, в смесителе, построенном на
транзисторах, эта мощность нагревает выходную катушку. В случае диодного кольцевого
смесителя, а Вы должны помнить, что это устройство принимает и передает по любым выводам,
спектр продуктов преобразования очень большой. Следовательно, продукты преобразования
возвращаются в смеситель и, в результате, появляются искажения полезного сигнала и
дополнительные составляющие.
Отдельный LC полосовой фильтр, подключенный к диодному кольцевому смесителю, позволяет
последнему хорошо работать только на тех частотах, на которые настроен фильтр. На других
частотах у фильтра появляется дополнительное реактивное сопротивление, которое создает
вышеуказанные проблемы. Другими словами, необходимо обеспечить постоянство сопротивлений
по входу и выходу смесителя, например, 50 Ом в широкой полосе частот. В этом случае
использование широкополосных усилителей это хороший и дешевый способ обеспечить это.
Применение диплексеров и гибридных каскадов это наилучший способ, но не подходящий для
данной конструкции.