УСТОЙЧИВЫЙ СВЕРХДИНАМИЧНЫЙ ШИРОКОПОЛОСНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ ВЧ
Высокий уровень мешающих сигналов любительских радиостанций, наличие в непосредственной близости от любительских диапазонов мощных вещательных передатчиков, а также помехи от служебных передатчиков значительно усложняют (а иногда делают вообще невозможной) связь с удаленными и редкими корреспондентами. Именно поэтому радиолюбители-конструкторы стараются постоянно расширять динамический диапазон (ДД) приемной части трансивера и его реальную избирательность.
Расширение ДД обеспечивается применением в ВЧ-тракте приемного устройства (от его входа и по крайней мере до ФОС) высококачественных узлов. Причем, для получения высокого значения ДД следует использовать полосовой фильтр без подстроечных ферритовых сердечников и с потерями не более 1...3 дБ в полосе прозрачности, мощный малошумящий УРЧ, сверхдинамичные смеситель, УПЧ и ФОС (последний исключительно с кварцевым фильтром). Гетеродин при этом также должен быть высококачественным.
Применение в ВЧ-тракте хотя бы одного из перечисленных выше блоков с малым значением ДД "сводит на нет" все усилия по повышению ДД тракта в целом [1, 2].
В данной статье обсуждаются некоторые вопросы создания сверхдинамичных и широкополосных усилителей высокой частоты.
Усилитель по схеме с ОБ и индуктивной Х-ООС
В [2] приведена схема усилителя с ОБ и индуктивной Х-ООС под номером "А" ("А" обозначает только номер, а не класс работы усилителя. Все рассмотренные в [2] усилители (А, В, С и D) работают в высоколинейном классе усиления А). Подобный тип усилителя использовался в конструкции известного трансивера "LARGO-91" (с незначительными изменениями). Вместе с тем, подобный усилитель (рис.1) мало пригоден для широкого использования в радиолюбительской практике, даже несмотря на указанные в [2] его весьма высокие параметры. Дело в том, что усилители этого типа склонны к самовозбуждению даже при незначительном рассогласовании (самовозбуждение возникает уже при значениях КСВ<2...3 по входу и/или выходу).
Соответственно, при установке такого усилителя в реальную конструкцию приемника (трансивера) радиолюбитель сталкивается с очень сложной проблемой устранения самовозбуждения подобного усилителя. В данной статье рассмотрен сверхдинамичный, широкополосный и малошумящий усилитель ВЧ, выполненный по схеме с ОБ и индуктивной Х-ООС трансформаторного типа. Усилитель имеет постоянные параметры во всем КВ-диапазоне (0,5...32 МГц).
Его можно применить в качестве УРЧ и/или УПЧ.
В спроектированном автором усилителе были учтены все нюансы, способствующие появлению самовозбуждения, и приняты соответствующие меры по его устранению.
Схема усилителя конструкции автора приведена на рис.2, из которого видно, что эмиттер транзистора VT1 через обмотку Х-ООС ВЧ-трансформатора L2 и дроссель L1 соединен с "землей". Таким образом, в схеме отсутствует параллельная цепочка R1, С2 (рис.1). Заметим, что при наличии этой цепочки схема усилителя с ОБ аналогична сверхрегенеративному детектору (по схеме с
ОБ), поэтому вполне возможны процессы сверхрегенерации (прерывистой генерации).
Далее, в схеме усилителя (рис.1) смещение, подаваемое на базовую цепь транзистора, обеспечивалось резистором R4 (через который протекает коллекторный ток транзистора). Следовательно, при такой схеме подачи смещения на базу транзистора, изменение тока коллектора изменяет и напряжение смещения, подаваемого на базу транзистора. Коллекторный ток транзистора может изменяться при выходе усилителя из режима работы класса А, например, при сильной перегрузке усилителя.
Рис.1
Поэтому было принято решение сделать смещение независимым от тока коллектора транзистора (рис.2). Смещение подается через R2* на базу VT1 непосредственно от источника питания. В этом случае напряжение смещения не будет зависеть от тока коллектора.
Если необходимо обеспечить компенсацию изменения тока коллектора с повышением температуры, резистор R1 заменяют диодом (диодами) и резистором, включенными последовательно (подобное включение приведено в [1]), т.е. устанавливают термокомпенсационную цепочку.
Рис.2
Повысить устойчивость рассматриваемого типа усилителей (устранить самовозбуждение) можно, согласно [2], с помощью ферритового колечка, одетого на коллекторный вывод транзистора (рис.1). Однако при исследовании работы этого усилителя оказалось, что недостаточно той индуктивности, которая образуется при использовании даже нескольких ферритовых колечек на коллекторном выводе транзистора.
При экспериментах автора с усилителем на КТ610 или КТ911 (в аналогичных корпусах) оказалось, что для устранения самовозбуждения необходимо также укоротить до минимально возможной длины все выводы транзистора.
Дроссель необходимо использовать специальной конструкции с очень короткими выводами. Такой дроссель одним выводом припаивают непосредственно к укороченному выводу коллектора транзистора, а другим - к проводнику печатной платы.
Практически всегда полностью устраняется возможность самовозбуждения усилителя установкой шунтирующего резистора Rm1 и/или Rm2 (рис.2). Номиналы и места установки резисторов РШ1 и/или Rm2 подбирают опытным путем. Номиналы могут быть в пределах от нескольких сотен ом до нескольких кило ом. Резистор включают последовательно с конденсатором емкостью около 0,1 мкФ. Конструктивно усилитель автора выполнен методом печатного (одностороннего) монтажа. Расположение печатных (токопроводящих) дорожек на плате полностью соответствует принципиальной схеме усилителя (рис.2). Необходимо только позаботиться о максимально возможной площади "земляной" дорожки (шины) на плате. Если площадь "земляной" шины будет недостаточной, усилитель становится склонным к самовозбуждению. Конструкция элементов Дроссель L1 - промышленный ("каплеобразной" формы) и должен быть рассчитан на номинальный постоянный ток 0,2 А или несколько больше.
ВЧ-трансформатор L2 в конструкции автора был намотан на ферритовом кольце К16x10x4,5 из феррита М2000 НМ-А (обозначение на ферритовом кольце).
Сразу отметим, что можно использовать также ближайшие (к указанному выше) типоразмеры кольца. Начальная магнитная проницаемость феррита, из которого сделано кольцо, может быть по крайней мере в пределах 600...2000. Материал ферритового кольца может быть как токопроводящим (НМ), так и токонепроводящим (НН). Предварительно с помощью надфиля стачиваем острые края кольца снаружи и внутри, приближая его форму к форме тора. Делается это по следующим причинам:
- во-первых, обмотка ВЧ-трансформатора будет лучше облегать обточенное кольцо (улучшается качество работы трансформатора) и лучше удерживаться на нем (исключаются спонтанные перемещения витков по кольцу).
- во-вторых, острые кромки необработанного кольца (особенно если кольцо из токопроводящего феррита марки НМ) могут повредить изоляцию на проводах, что приведет к замыканию между обмотками трансформатора.
Была также сделана попытка использовать кольцо К10х6х4 (р=600...2000) с целью уменьшения габаритных размеров усилителя. Однако оказалось, что при использовании таких ферритовых колец усилитель начинал работать неустойчиво. Самовозбуждение, по-видимому, может быть устранено увеличением индуктивности дросселя L3, что, в свою очередь, приводит к некоторому "завалу" в ВЧ-области КВ-диапазона (см.методику изготовления дросселя L3).
Методика изготовления обмоток ВЧ-трансформатора L2 в конструкции усилителя автора отличается от приведенной в [1, 2], поэтому остановимся на этом вопросе отдельно. Вначале изготавливаются сразу две обмотки - 1_2в и 1_2с (рис.2), для чего выполняем скрутку из двух проводников ("витую пару"). Диаметр проводников - 0,25...0,33 мм. Обычно достаточно сделать 3...4 скрутки на 1 см длины.
Далее на обточенное кольцо наматывают 12 витков "витой пары", равномерно распределяя обмотку по кольцу.
Таким образом, в данном случае "витая пара" - это одновременно и обмотка "в", и обмотка "с", свитые между собой. То есть один из проводов "витой пары" (любой) - это обмотка "в", а другой - соответственно, обмотка "с".
Теперь, имея обмотки "в" и "с", приступаем к изготовлению обмотки "а" (обмотка Х-ООС). Сматываем для этого три первых витка скрутки с кольца и доматываем сверху на эту временно смотанную часть "витой пары" еще один провод аналогичного диаметра.
Чтобы этот третий провод (обмотка "а") держался на изготовленной ранее "витой паре", обвиваем этим проводом сверху "витую пару" в том же самом направлении, в котором ранее была намотана "витая пара". Причем делаем два оборота провода обмотки "а" на 1 см длины имеющейся готовой скрутки.
Таким образом, некоторая часть длины обмотки ВЧ-трансформатора L2 получается из трех проводников.
Затем восстанавливаем необходимые 12 витков обмотки на кольце, из которых три первых витка обмотки
ВЧ-трансформатора содержат уже 3 провода, а остальные витки обмотки - 2 провода.
Далее, при установке ВЧ-трансформатора L2 в усилитель остается только сфазировать обмотки так, как указано на рис.2.
При установке L2 в схему усилителя все выводы обмоток трансформатора укорачивают до минимально возможной длины.
Заметим, что наиболее удобно использовать в качестве обмоточных разноцветные провода соответствующего диаметра (например, используемые в телефонном кабеле), что позволяет быстро и без ошибок производить фазировку всех обмоток.
Дроссель L3 - очень важная деталь в конструкции усилителя. Усилитель весьма критичен к параметрам L3. Правильно изготовленный дроссель L3 в основном и определяет устойчивость работы усилителя. Автор рекомендует изготавливать его следующим образом.
Три кольца типоразмера К7х4х2 из феррита 1000НМ склеиваем вместе, формируя таким образом ферритовую трубочку. Далее проводом диаметром 0,25...0,33 мм (в хорошей изоляции) плотно наматываем 2 витка на эту ферритовую трубочку, равномерно распределяя их по поверхности. При установке дросселя L3 в схему усилителя его выводы должны иметь минимально возможную для монтажа длину.
АЧХ усилителя в значительной степени определяется (наряду с типом транзистора и параметрами трансформатора L2) также и параметрами дросселя L3.
При его слишком большой индуктивности происходит уменьшение усиления в области ВЧ, поэтому желательно так подобрать индуктивность дросселя L3, чтобы усилитель не самовозбуждался и сохранял требуемый коэффициент усиления на частотах выше 20 МГц. Для этого необходимо опытным путем подобрать проницаемость ферритового кольца, количество колец и витков L3, каждый раз контролируя АЧХ усилителя.
По рассматриваемой схеме были собраны усилители на КТ911. Сравнение параметров усилителей на КТ606 и КТ911 показало, что особой разницы в форме АЧХ не наблюдается (поскольку усиление, даваемое транзистором в этой схеме, меньше 10 дБ, KB- и УКВ-транзисторы ведут себя примерно одинаково, а дроссель L3, в свою очередь, начинает ограничивать усиление только после 30 МГц). Методика настройки Методика настройки усилителя (рис.2) проста, и сводится, в основном, к следующему: - прежде всего необходимо убедиться в исправности всех используемых в конструкции радиодеталей;
- на плату усилителя монтируем (припаиваем) все детали, кроме L1, L2 и L3, заменяя временно индуктивности проволочными перемычками. Резисторы Riu1 и Riu2 также не устанавливаются;
- подаем питание на усилитель и, подбирая номинал R2*, устанавливаем ток коллектора VT1 в пределах 40...50 мА. При этом номинал R2* начинаем подбирать примерно с 10 кОм. Постепенно уменьшая номинал R2*, по мере возрастания тока коллектора VT1 останавливаемся на том значении номинала R2*, которое позволяет получить ток коллектора в указанных выше пределах. Транзистор можно снабдить радиатором, а ток покоя уточнить после прогрева радиатора. После окончания данной операции снимаем питание с усилителя;
- вместо проволочных перемычек устанавливаем L1, L2 и L3. Для L2 следует внимательно выполнять фазировку, указанную на рис.2;
- вновь подаем питание на усилитель и убеждаемся в отсутствии самовозбуждения. Ток коллектора VT1 при отсутствии самовозбуждения должен быть в указанных выше пределах.
Дополнительно отсутствие самовозбуждения контролируем высокоомным пробником на Х1 и Х2 (в этих точках не должно присутствовать ВЧ-напряжение).
Самовозбуждение должно отсутствовать как при наличии резисторов 50 Ом на входе и выходе усилителя, так и при отсутствии этих резисторов. Усилитель должен устойчиво работать даже при отсутствии резисторов Ruu1 и Rm2.
Если усилитель все же самовозбуждается, наобходимо несколько увеличить число витков (индуктивность) дросселя L3 (например, если использован феррит с низким значением начальной магнитной проницаемости, т.е. значительно ниже 1000).
Желательно измерить АЧХ собранного усилителя, зависимость входного и выходного сопротивления усилителя от частоты, компрессию по входу усилителя, а также (по возможности) его интермодуляционные характеристики. Параметры усилителя, измеренные автором, приведены в таблице.
(1)
(2)
