Конспект лекций для студентов 4 курса дневного отделения специальности 210401. 65 «Физика и техника оптической связи»

Транзисторные малошумяшие усилители диапазона СВЧ


Современные биполярные и полевые СВЧ-транзисторы позволяют разработать малошумящие усилители дециметрового, сантиметрового и миллиметрового диапазона волн. В диапазоне 4-6 ГГц широко используются биполярные транзисторы, а в более высокочастотном диапазоне лучшие показатели имеют полевые транзисторы.
По численным оценкам полевые транзисторы в будущем могут быть созданы для работы в диапазоне частот до 1000 ГГц, при этом коэффициент шума на частотах 200 ГГц составит 4 дб. Современные лучшие полевые транзисторы имеют коэффициент шума 1,3 дб на частотах 12 ГГц и 4 дб на частоте 30 ГГц при коэффициенте усиления 11 и 5 дб соответственно.
Расчеты транзисторных СВЧ-усилителей удобно проводить, представляя транзистор как 4-х полюсник с известными (как правило, экспериментально измеренными) параметрами рассеяния или S-параметрами. Эти параметры СВЧ-транзисторов можно измерить гораздо точнее, чем параметры элементов эквивалентной схемы транзистора. Обычно рассчиты­вается один каскад усилителя, а требуемое усиление реализуется путем каскадного соединения отдельных усилителей.
Функциональная схема однокаскадного усилителя имеет вид (рис. 5.4).




Рис.5 4

Здесь , , , - коэффициенты отражения от входных и выходных сопротивлений на зажимах транзистора и усилителя соответствен­но,
и - коэффициенты отражения от сопротивлений генератора и нагрузки, трансформированных через трансформаторы Тр₁ и Тр₂ к входным и выходным зажимам транзистора.
- волновое сопротивление подводящих линий передачи.
Усилители могут быть безусловно устойчивыми и условно устойчивыми. Для безусловно устойчивого усилителя возможно двухстороннее комплексно-сопряженное согласование

(5.18)

Двухстороннее комплексно-сопряженное согласование достигается выбором структуры и элементов трансформаторов Тр₁ и Тр₂. При этом коэффициент усиления по мощности максимален и равен


. (5.19)


где - инвариантный коэффициент устойчивости.
Для условно устойчивого усилителя двухстороннее комплексно-сопряженное согласование невозможно, так как входное или выходное сопротивление имеет отрицательную действительную часть. Однако и в этом случае можно обеспечить устойчивую работу усилителя, выбрав

должным образом внешние пассивные нагрузки усилителя, т.е. задавшись величинами Г_г и Г_н.

Часто применяемый способ обеспечения устойчивой работы условно устойчивого усилителя состоит в том, что с помощью стабилизирующих цепей добиваются безусловной устойчивости эквивалентного 4-хполюсника "транзистор - стабилизирующая цепь".
Простейшая стабилизирующая цепь представляет собой резистор, под­ключаемый последовательно (или параллельно) к выходным зажимам транзистора. Стабилизирующий резистор компенсирует с некоторым запасом отрицательную часть выходного сопротивления (проводимости) непосредственно на зажимах транзистора во всем частотном диапазоне благодаря чему эквивалентный 4-хполюсник становится безусловно устойчивым.
Стабилизирующий резистор можно подключать и к входным зажимам транзистора, однако при этом увеличивается коэффициент шума усилителя.
В широкополосных СВЧ-усилителях используются более сложные стабилизирующие цепи - Т и П-образные 4-хполюсники на элементах с сосредоточенными либо распределенными параметрами и искусственно введенными потерями. Такие стабилизирующие цепи выполняют одновременно функции выравнивания АЧХ усилителя в широкой полосе частот.
Вопросы оптимизации транзисторных СВЧ малошумящих усилителей в настоящее время решают с помощью ЭВМ. Тем не менее можно высказать ряд рекомендаций, которые позволяют значительно сократить объем вычислений.
Полоса пропускания СВЧ-усилителей обычно не превышает 10÷15%. В такой полосе частот S-параметры транзисторов в первом приближении можно считать постоянными, что позволяет аппроксимировать входные и выходные сопротивления с помощью простейших RC и RL-цепей и воспользоваться известными соотношениями для расчета полосы пропускания согласно теории согласования комплексных нагрузок с линией передачи.
Если структура трансформаторов Тр₁, и Тр₂ уже выбраны на этапе расчета коэффициента усиления или шума на заданной частоте, то всегда можно численно определить полосу пропускания.
Определенное противоречивое требование обеспечения высокого качества согласования усилителя по входу и выходу и получение минимального коэффициента шума, удачно разрешается при использовании балансной схемы усилителя. В простейшем виде она содержит два квадратурных направленных ответвителя НО, между которыми включены два одиночных транзисторных каскада.
Благодаря высокому качеству согласования из отдельных балансных усилителей легко строится многокаскадный усилитель.


Рис.5 5


Транзисторные УРЧ являются входными усилительными каскадами радиоприемного устройства и работают в сложной электромагнитной обстановке, поскольку возможны достаточно интенсивные помехи. В этих условиях за счет нелинейности вольт-амперных и вольт-фарадных характеристик транзисторов в УРЧ возникают нелинейные эффекты, ухудшающие реальную чувствительность. Поэтому необходимо повышать линейность этих усилителей.
Существенное ослабление нелинейных эффектов УРЧ достигается за счет использования во входных каскадах мощных (среднемощных) транзисторов и каскадов, охваченных отрицательной обратной связью (ООС).



Рис.5 6
Применение ООС в транзисторных УРЧ целесообразно при определен­ной глубине обратной связи.
Для того, чтобы цепи ООС существенно не ухудшали коэффициента шума транзисторного УРЧ, их выполняют на реактивных элементах с малыми потерями, например, высокочастотных трансформаторах.
В диапазонных транзисторных УРЧ перестройка контуров обычно про­изводится с помощью варикапов.