Расчет и проектирование выходного каскада широкополосного усилителя: Комплексный подход к современным решениям

В стремительно развивающемся мире технологий, где каждая наносекунда и каждый бит информации на счету, широкополосные усилители (ШУ) играют роль невидимых, но жизненно важных артерий, обеспечивающих передачу и обработку сигналов с невероятной точностью и скоростью. От тончайших нюансов звуковой частоты в высококлассной аудиоаппаратуре до миллиардов импульсов в радиолокационных системах и гигагерцовых потоков данных в телекоммуникационных сетях 5G, ШУ являются краеугольным камнем современной радиоэлектроники. Их способность равномерно усиливать сигналы в широчайшем диапазоне частот делает их незаменимыми в видеоусилителях, осциллографах, устройствах автоматики и вычислительной техники.

Эта работа призвана не просто изложить сухие факты, а провести глубокое, комплексное исследование выходных каскадов широкополосных усилителей, начиная от фундаментальных принципов и заканчивая передовыми технологиями. Мы погрузимся в мир инженерных расчетов, схемотехнических решений и инновационных подходов, которые позволяют создавать высокоэффективные, стабильные и малогабаритные усилительные устройства. Цель этого материала — предоставить студентам технических специальностей исчерпывающие теоретические обоснования и практические методики для проектирования выходных каскадов ШУ, став надежным ориентиром для курсовых и дипломных работ в области радиоэлектроники и схемотехники.

Теоретические основы широкополосного усиления

Погружение в мир широкополосных усилителей начинается с понимания их природы и фундаментальных законов, определяющих их работу. Это не просто «усилители», а устройства, специально спроектированные для сохранения целостности сигнала в условиях огромного частотного диапазона, что обеспечивает превосходное качество передачи информации в условиях высоких требований к пропускной способности.

Определение и классификация широкополосных усилителей

Широкополосным усилителем (ШУ) называется электронное устройство, способное обеспечивать равномерное усиление электрических сигналов в значительном диапазоне частот. В отличие от узкополосных усилителей, которые настраиваются на конкретную частоту или узкую полосу, широкополосные системы характеризуются полосой пропускания, простирающейся от практически нулевой частоты (постоянного тока) до десятков, сотен мегагерц и даже гигагерц.

Типичные диапазоны полосы пропускания для различных типов ШУ демонстрируют их универсальность:

• Усилители звуковой частоты (УНЧ): От нескольких десятков герц (например, 20 Гц) до 10-20 кГц, охватывая весь спектр слышимого звука.
• Видеоусилители: От нескольких герц до нескольких мегагерц (например, до 6-6.5 МГц для телевизионных каналов), что позволяет передавать сложный видеосигнал с сохранением всех деталей изображения.
• СВЧ-усилители: От десятков килогерц до сотен мегагерц, а в случае сверхвысокочастотных приложений — до нескольких десятков гигагерц (например, 6-18 ГГц для S-диапазона).

Ключевой метрикой, определяющей широкополосность, является отношение верхней граничной частоты к нижней (f_В / f_Н), которое для ШУ может достигать поразительных значений — от 10² до 10⁵ и даже превышать 1 000 000. Такая широкая полоса пропускания, однако, не дается даром. Существует фундаментальный компромисс: чем шире полоса пропускания, тем, как правило, меньше коэффициент усиления. Это объясняется тем, что для поддержания равномерного усиления на высоких частотах приходится жертвовать усилением на средних частотах из-за влияния паразитных емкостей и индуктивностей.

Классификация усилителей многогранна и помогает систематизировать их по различным признакам:

• По полосе пропускания: Узкополосные, широкополосные.
• По виду входного сигнала: Усилители гармонических колебаний, усилители импульсных сигналов (например, видеоусилители, требующие малого времени установления фронта выходного импульса).
• По назначению: Усилители напряжения, тока, мощности. Усилители мощности (УМ) заслуживают особого внимания, так как их основная задача — отдача заданной мощности в нагрузку при максимально высоком коэффициенте полезного действия (КПД).
• По виду используемых активных радиокомпонентов: На биполярных или полевых транзисторах, а также на интегральных микросхемах.

Ключевые параметры и характеристики выходных каскадов ШУ

Выходные (оконечные) каскады — это «мускулы» любого усилителя. Их назначение – усиление мощности полезного сигнала до уровня, достаточного для работы с внешней нагрузкой, будь то громкоговоритель, антенна или другой оконечный потребитель. При этом необходимо соблюдать два ключевых условия: высокий КПД и минимальный уровень нелинейных и частотных искажений.

Основными эксплуатационными показателями выходного каскада, которые интересуют пользователя, являются:

• Полезная мощность (P_ВЫХ): Максимальная мощность, которая может быть отдана в нагрузку.
• Коэффициент полезного действия (КПД):0: Отношение полезной выходной мощности к потребляемой от источника питания. Чем выше КПД, тем меньше энергии рассеивается в виде тепла, что критично для экономичности и компактности устройства.

К качественным показателям, определяющим верность воспроизведения сигнала, относятся:

• Уровень нелинейных искажений (K_НИ): Мера отклонения формы выходного сигнала от формы входного. Возникают из-за нелинейности вольт-амперных характеристик (ВАХ) активных элементов (транзисторов) при больших амплитудах сигнала.
• Полоса пропускания (Δf): Диапазон частот, в котором коэффициент усиления остается равномерным в пределах допустимых отклонений.

Нелинейные искажения и КПД каскада тесно взаимосвязаны и в значительной степени зависят от выбора рабочей точки транзистора. Если рабочая точка выбрана неоптимально, особенно при больших значениях входного сигнала, транзистор может заходить в области отсечки или насыщения, где его характеристики становятся сильно нелинейными, что приводит к появлению дополнительных гармоник и интермодуляционных составляющих в выходном сигнале. Как следствие, ухудшается спектральная чистота сигнала, что критично в системах связи и измерениях.

Коэффициент усиления по напряжению K_У каскада с транзистором тем больше, чем меньше входное сопротивление каскада R_ВХ и внутреннее сопротивление источника сигнала R_Г. Для получения большего усиления необходима большая коллекторная нагрузка, которая обычно представляет собой параллельное соединение сопротивления коллектора R_К и сопротивления нагрузки R_Н (причем если R_Н — вход аналогичного каскада, то R_Н = R_ВХ).

Существует фундаментальный компромисс между коэффициентом усиления, временем нарастания импульса (t_Н) и верхней граничной частотой (F_В):

• Коэффициент усиления каскада и время нарастания t_Н находятся в пропорциональной зависимости: чем больше усиление, тем, как правило, больше время нарастания (сигнал «растягивается»).
• Коэффициент усиления и верхняя граничная частота находятся в обратно пропорциональной зависимости: чем шире полоса (больше F_В), тем меньше коэффициент усиления.

Произведение коэффициента усиления на ширину полосы пропускания (Gain-Bandwidth Product, GBW или f_Т) является критически важной характеристикой транзистора. Это произведение представляет собой постоянную величину для каждого транзистора и определяет его эффективность или добротность. Частота f_Т (граничная частота коэффициента передачи тока) — это частота, при которой коэффициент усиления по току h_21Э биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером падает до единицы (0 дБ). Она определяет максимальную частоту, на которой транзистор способен усиливать сигнал. Таким образом, выбирая транзистор, важно учитывать, что его f_Т должна быть существенно выше требуемой верхней граничной частоты усилителя.

Линейные искажения делятся на:

• Амплитудные искажения: Определяются неравномерностью амплитудно-частотной характеристики (АЧХ), то есть изменением коэффициента усиления на разных частотах в полосе пропускания. Мерой амплитудных искажений является отношение коэффициента передачи усилителя на заданной частоте к коэффициенту передачи в полосе пропускания, M = K(f) / K₀.
• Фазовые искажения: Определяются нелинейностью фазочастотной характеристики (ФЧХ), то есть изменением фазового сдвига между входным и выходным сигналом в зависимости от частоты. Эти искажения особенно критичны для импульсных сигналов, так как приводят к изменению формы импульса.

Для широкополосных усилителей СВЧ-диапазона одним из важнейших параметров является именно неравномерность коэффициента усиления в рабочей полосе частот, поскольку даже небольшие отклонения могут существенно повлиять на качество передачи данных или точность радиолокации.

Методология выбора схемотехнических решений и активных элементов

Разработка выходного каскада широкополосного усилителя — это искусство компромиссов, где схемотехнические решения и выбор активных элементов определяют баланс между мощностью, КПД, линейностью и, конечно же, шириной полосы пропускания. Каждое принятое решение прямо влияет на итоговые характеристики устройства, определяя его конкурентоспособность на рынке.

Обзор схемотехнических решений выходных каскадов

Архитектура выходного каскада может быть весьма разнообразной, зависящей от требуемой мощности, частотного диапазона и линейности. В основе лежат каскады на биполярных (БТ) или униполярных (полевых) транзисторах (ПТ), каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки.

По способу подключения нагрузки различают:

• Каскады с непосредственным включением: Просты, но не обеспечивают гальванической развязки и требуют тщательно продуманного режима по постоянному току.
• Резисторные каскады: Самые простые, но имеют низкий КПД из-за рассеивания мощности на резисторе нагрузки. Не подходят для мощных выходных каскадов.
• Дроссельные каскады: Используют дроссель вместо резистора, что позволяет улучшить КПД и расширить полосу пропускания, так как дроссель не рассеивает постоянную мощность.
• Трансформаторные каскады: Исторически широко применялись для согласования сопротивлений и гальванической развязки. Однако в современных усилительных устройствах их применение значительно сократилось.

Рассмотрим трансформаторные каскады подробнее. Основные причины их редкого использования включают:

1. Массо-габаритные параметры: Трансформаторы, особенно для низких частот и высоких мощностей, имеют значительные размеры и вес, что противоречит тенденции к миниатюризации.
2. Стоимость: Изготовление качественных трансформаторов — процесс трудоемкий и дорогостоящий.
3. Нелинейные искажения: Сердечник трансформатора обладает нелинейной кривой намагничивания, что вносит гармонические искажения в сигнал, особенно при больших амплитудах.
4. Линейные частотные искажения: Паразитные реактивности трансформатора (индуктивности рассеяния, индуктивность намагничивания, паразитные емкости обмоток) ограничивают полосу пропускания и вносят фазовые искажения.
5. Невозможность микроминиатюризации: Трансформаторы практически невозможно интегрировать в интегральные микросхемы, что делает их непригодными для современной полупроводниковой электроники.

Несмотря на эти недостатки, трансформаторные каскады сохраняют свою нишу:

• Гальваническая развязка: Критична в некоторых приложениях для безопасности или предотвращения помех.
• Согласование сопротивлений: Особенно эффективно для очень низкоомных нагрузок (например, до 10 Ом) в мощных аудиоусилителях или ВЧ-трактах, где необходимо передать максимум мощности.
• Получение двух противофазных сигналов: В некоторых двухтактных схемах трансформатор может служить фазоинвертором.
• Высокомощные радиочастотные усилители: В некоторых случаях, особенно на СВЧ, трансформаторы (часто в виде отрезков линий передачи) используются для согласования и трансформации импедансов.
• Высококачественная аудиоаппаратура: В элитных ламповых усилителях трансформаторы остаются ключевым элементом для формирования «теплого» и «музыкального» звука.

Особенности каскадов с общим эмиттером и общим коллектором

Выбор базовой конфигурации транзисторного каскада (ОЭ, ОК, ОБ) оказывает значительное влияние на его характеристики:

• Каскад с общим эмиттером (ОЭ): Наиболее распространенная схема, обеспечивающая наибольшее усиление по мощности, поскольку усиливает как ток, так и напряжение. Однако выходной сигнал в этой схеме инвертируется относительно входного (фазовый сдвиг 180°), что необходимо учитывать при проектировании многокаскадных усилителей.
• Каскад с общим коллектором (ОК), или эмиттерный повторитель: Неинвертирующий каскад, который осуществляет усиление сигнала только по току. Коэффициент усиления по напряжению близок к единице. Основное назначение — согласование высокоомного источника сигнала с низкоомной нагрузкой, а также буферизация.

Принципы построения двухтактных выходных каскадов

Для получения высокой выходной мощности и КПД, особенно в режимах В и АВ, широко применяются двухтактные выходные каскады. Они строятся на биполярных или полевых транзисторах и могут быть реализованы на:

• Комплементарных транзисторах: Используются пары транзисторов противоположной проводимости (n-p-n и p-n-p для БТ, n-канал и p-канал для ПТ). Такие схемы управляются от однофазного источника входного сигнала. Их главное преимущество — лучшая симметрия плеч, что приводит к значительному снижению четных гармоник и, следовательно, к более низким нелинейным искажениям. Современные технологии позволяют производить хорошо согласованные комплементарные пары, обеспечивая высокую линейность.
• Одноструктурных транзисторах: Используются транзисторы одного типа проводимости (например, два n-p-n). В этом случае для управления требуется парафазный (противофазный) входной сигнал. Такие схемы (известные как квазикомплементарные) являются принципиально несимметричными, поскольку одно плечо обычно включается по схеме ОЭ, а другое — по схеме ОК. Это приводит к значительно бóльшим искажениям (в десятки раз) по сравнению с комплементарными схемами и требует дополнительных корректирующих цепей (например, диодов и резисторов) для улучшения симметрии. Квазикомплементарные схемы были распространены в прошлом, когда мощные комплементарные p-n-p транзисторы были недоступны или имели худшие характеристики, но сейчас их применение ограничено.

Для дальнейшего увеличения коэффициента усиления по току и уменьшения входного тока выходные каскады часто строятся на базе составных транзисторов, таких как «двойки» Дарлингтона или Шиклаи. Эти составные структуры представляют собой два транзистора, включенных таким образом, что коэффициент усиления по току всей сборки является произведением коэффициентов усиления отдельных транзисторов, что позволяет управлять мощным выходным каскадом от относительно слабого предшествующего каскада.

Критерии выбора активных элементов (транзисторов)

Выбор транзистора для широкополосного усилителя — критический шаг, требующий учета нескольких ключевых параметров:

1. Верхняя граничная частота (F_Т): Должна существенно превышать максимальную синтезируемую или рабочую частоту f_В усилителя. Общепринятое правило: F_Т > (2-3)f_В. Если F_Т недостаточна, транзистор не сможет обеспечить необходимое усиление на верхних частотах, и полоса пропускания усилителя будет ограничена.
2. Коллекторная емкость (C_К): Чем меньше коллекторная емкость, тем лучше. Эта паразитная емкость шунтирует нагрузку на высоких частотах, снижая коэффициент усиления и ограничивая полосу пропускания. Сопротивление, создаваемое этой емкостью (X_К = 1/(2πfC_К)), должно быть значительно больше сопротивления нагрузки R_Н в рабочей полосе частот.
3. Отдаваемая мощность (P₁): Транзистор должен быть способен отдавать в нагрузку заданную мощность первой гармоники. Это означает, что его максимально допустимые напряжения (U_КЭМАКС, U_КБМАКС) и токи (I_КМАКС) должны соответствовать пиковым значениям, возникающим в выходном каскаде.
4. Линейность характеристик: Для минимизации нелинейных искажений транзистор должен иметь максимально линейные входные и выходные вольт-амперные характеристики в предполагаемом диапазоне рабочих токов и напряжений.

Транзисторы обычно работают в режиме с фиксированной рабочей точкой, выбранной на линейном участке вольт-амперной характеристики. Точное положение этой точки определяет класс усиления, уровень искажений и КПД каскада.

Расчет режимов работы и элементов выходного каскада

Сердцем проектирования любого усилителя является электрический расчет, который превращает теоретические принципы в конкретные значения компонентов и предсказуемые режимы работы. Расчет усилителя мощности – это итеративный процесс, включающий как предварительные оценки, так и детальные вычисления.

Выбор режима усиления (Классы A, B, AB)

Выбор класса усиления — это фундаментальное решение, определяющее компромисс между КПД и уровнем нелинейных искажений.

1. Режим А (Класс А):
   • Особенности: Рабочая точка (РТ) выбирается на середине линейного участка передаточной характеристики транзистора, так что ток через транзистор протекает в течение всего периода входного сигнала (угол отсечки 360°).
   • КПД: Низкий, теоретический максимум 25% для резистивной нагрузки и 50% для трансформаторной. Большая часть потребляемой мощности рассеивается в виде тепла даже при отсутствии входного сигнала.
   • Нелинейные искажения: Минимальны, так как транзистор всегда работает в линейной области. Идеально подходит для приложений, где требуется высочайшее качество сигнала (например, прецизионные измерительные приборы, аудиофильская аппаратура).
   • Выбор РТ: Ток коллектора рабочей точки (I_КРТ) обычно выбирается примерно равным половине максимального коллекторного тока, который может быть достигнут при усилении сигнала (I_{КМАКС(СИГНАЛ)}). Это обеспечивает максимальный симметричный размах сигнала без ограничения и минимизирует искажения.
2. Режим В (Класс В):
   • Особенности: Рабочая точка выбирается на границе отсечки, так что ток через транзистор протекает только в течение половины периода входного сигнала (угол отсечки 180°). Для усиления всего сигнала требуется двухтактная схема.
   • КПД: Высокий, теоретический максимум 78.5%. Потребление мощности значительно снижается при отсутствии сигнала.
   • Нелинейные искажения: Значительны, особенно «искажения типа центральной отсечки» (crossover distortion), возникающие из-за нелинейности характеристик транзистора вблизи порога включения и при переключении между плечами двухтактной схемы. Для качественных усилителей в чистом виде не применяется.
3. Режим АВ (Класс АВ):
   • Особенности: Компромисс между классами А и В. Рабочая точка выбирается немного выше границы отсечки, но ниже середины линейного участка. Ток покоя каскада значительно выше, чем в режиме В, но существенно меньше, чем в режиме А. Угол отсечки составляет от 180° до 360°. Для исключения искажений типа «центральной отсечки» схемы выходных каскадов усложняют, переводя их в режим класса АВ путем создания специальных схем для задания начального смещения (например, с использованием диодов или стабилизаторов напряжения между базами транзисторов двухтактного каскада).
   • КПД: Высокий, обычно 60-70%.
   • Нелинейные искажения: Относительно небольшие, значительно ниже, чем в классе В, и приемлемые для большинства применений.
   • Применение: Очень популярен в двухтактных выходных каскадах усилителей мощности, особенно в аудио- и радиочастотной технике, где требуется хорошее сочетание мощности, экономичности и качества звука/сигнала.

Электрический расчет основных параметров

Электрический расчет включает два основных этапа: по постоянному току (статический режим) и по переменному току (динамический режим).

Предварительный расчет по постоянному току (статический режим):

Цель — определить номиналы резисторов делителя смещения и эмиттерного резистора, обеспечивающих заданную рабочую точку.

1. Выбор напряжения питания E_ПИТ: Обычно выбирается из стандартного ряда напряжений и с учетом предельно допустимого напряжения коллектор-эмиттер транзистора U_КЭМАКС. Рекомендуется выбирать E_ПИТ ≈ (0,6 – 0,9)U_КЭМАКС для создания запаса по напряжению и обеспечения надежности.
2. Напряжение коллектор-эмиттер рабочей точки (U_КЭРТ): Для симметричного размаха сигнала часто выбирается U_КЭРТ ≈ 0,5 E_ПИТ. Это позволяет максимально использовать динамический диапазон транзистора.
3. Ток коллектора рабочей точки (I_КРТ): Выбирается в зависимости от класса усиления и требуемой выходной мощности. Для класса А, как уже упоминалось, I_КРТ ≈ 0,5 I_{КМАКС(СИГНАЛ)}. Важно, чтобы I_КРТ был значительно меньше предельно допустимого максимального тока коллектора транзистора (I_КМАКС) для обеспечения работы в безопасной области и создания запаса для пиков сигнала.
4. Определение тока базы (I_БРТ) и напряжения база-эмиттер (U_БЭРТ): Эти параметры определяются по статическим входным (I_Б от U_БЭ) и выходным (I_К от U_КЭ при I_Б=const) характеристикам выбранного транзистора для найденных I_КРТ и U_КЭРТ. В технической документации (даташитах) на транзисторы часто приводятся графики или типовые значения.
5. Расчет резисторов делителя напряжения для базы (R₁, R₂):
   • Ток, протекающий через делитель (I_ДЕЛ = I_R1 = I_R2 + I_БРТ), должен быть в 5-10 раз больше тока базы (I_ДЕЛ ≈ (5-10)I_БРТ) для обеспечения стабильности напряжения смещения и снижения влияния изменений I_БРТ.
   • Напряжение на базе транзистора (U_БРТ) определяется как U_БЭРТ + I_КРТ · R_Э (если есть эмиттерный резистор R_Э).
   • Используя закон Ома и правила делителя напряжения, можно рассчитать R₁ и R₂:
     • R2 = UБРТ / IДЕЛ
     • R1 = (EПИТ - UБРТ) / IДЕЛ
6. Расчет эмиттерного резистора R_Э: Если используется эмиттерная стабилизация (подробнее об этом ниже), RЭ = UЭРТ / IЭРТ, где UЭРТ = UБРТ - UБЭРТ, а IЭРТ ≈ IКРТ (так как IЭРТ = IБРТ + IКРТ, а IБРТ значительно меньше IКРТ).

Важно отметить, что расчет режима работы усилительного каскада по постоянному току является предварительным. Окончательные значения могут быть скорректированы в процессе регулировки и настройки реального устройства для достижения оптимальных характеристик.

Динамический расчет (по переменному току):

Этот этап позволяет рассчитать коэффициент усиления по напряжению (K_У) и другим параметрам для переменного тока. Используются модели транзисторов для переменного тока (например, h-параметры или r-параметры).

• Коэффициент усиления по напряжению: Для схемы с ОЭ, KУ ≈ - (h21Э · RК) / h11Э. Это упрощенная формула, не учитывающая комплексный характер сопротивлений на высоких частотах.
• Входное и выходное сопротивления: Также рассчитываются с учетом параметров транзистора и схемы.

Элементы межкаскадной связи и полоса пропускания:

При проектировании усилителей переменного тока элементы межкаскадной связи (разделительные конденсаторы, шунтирующие конденсаторы в эмиттерной цепи, индуктивности) играют ключевую роль в формировании полосы пропускания.

• Задача расчета заключается в обеспечении требуемой полосы пропускания при заданном уровне вносимых частотных искажений.
• На низких частотах полоса пропускания ограничивается разделительными конденсаторами и шунтирующими конденсаторами, которые перестают быть короткими замыканиями.
• На высоких частотах полоса пропускания ограничивается паразитными емкостями транзисторов и монтажа, которые начинают шунтировать сигнальные цепи. Для расширения полосы пропускания на высоких частотах применяются методы частотной коррекции.

Графоаналитические методы:

Графоаналитические методы анализа и построения статических и динамических характеристик транзисторов являются мощным инструментом. Они позволяют наглядно определить рабочую точку, построить динамическую нагрузочную прямую, оценить максимальный размах выходного сигнала без искажений и определить угол отсечки, а также предсказать уровень нелинейных искажений. Это особенно полезно при выборе транзистора и проверке корректности расчетов.

Методы частотной коррекции и температурной стабилизации

Два ключевых вызова в проектировании широкополосных усилителей – это обеспечение равномерного усиления в широком диапазоне частот и стабильности параметров в изменяющихся условиях окружающей среды, в первую очередь при изменении температуры. Эффективное решение этих задач является залогом надёжности и долговечности устройства.

Частотная коррекция

Частотная коррекция — это стратегическое введение в схему широкополосного усилителя дополнительных реактивных элементов (индуктивностей, емкостей) с целью расширения его полосы пропускания или уменьшения искажений формы усиливаемых импульсов.

Существуют два основных метода анализа цепей коррекции:

1. Частотный метод: Используется для гармонических колебаний, анализируя изменение коэффициента усиления и фазы в зависимости от частоты (АЧХ и ФЧХ).
2. Временной метод: Используется для импульсных сигналов, анализируя изменение формы импульса (время нарастания, спада, провал вершины).

Коррекция верхних частот:

Одной из основных проблем на высоких частотах является шунтирующее действие паразитных емкостей (суммы выходной емкости каскада, входной емкости следующего каскада и емкости монтажа), обозначаемой как C₀.

• Простейшая индуктивная коррекция (анодная/коллекторная): В коллекторную цепь (или анодную для ламповых каскадов) последовательно с нагрузочным резистором R_К включают индуктивность L_К.
  • Принцип действия: С повышением частоты индуктивное сопротивление L_К (XL = 2πfLК) возрастает. Это увеличение импеданса компенсирует уменьшение сопротивления, создаваемого емкостью C₀ (XC0 = 1/(2πfC0)), которая шунтирует нагрузку. Таким образом, общее сопротивление нагрузки на высоких частотах не падает так быстро, как без коррекции, что повышает усиление в области верхних частот.
  • Влияние на АЧХ: Изменение величины индуктивности L_К позволяет влиять на ход частотной характеристики, но чрезмерное увеличение L_К может привести к появлению выбросов и недопустимому увеличению частотных искажений (обычно неравномерность АЧХ не должна превышать 1,1—1,3).
  • Влияние на ФЧХ: Введение L_К также частично компенсирует отрицательный сдвиг фазы выходного напряжения в области верхних частот, что важно для сохранения формы импульсных сигналов.
• Высокочастотная коррекция: Позволяет увеличить усиление каскада в 2-3 раза при заданной верхней граничной частоте или расширить полосу пропускания при неизменном усилении. Существуют более сложные методы высокочастотной коррекции, такие как мостовая, параллельная, последовательно-параллельная и комплексная коррекция, которые обеспечивают лучшую компенсацию паразитных эффектов.

Коррекция низких частот:

• Низкочастотная коррекция: Позволяет понизить нижнюю граничную частоту в 5-30 раз или уменьшить емкость разделительного конденсатора. Это достигается за счет введения дополнительных реактивных элементов в цепи смещения или межкаскадной связи, которые компенсируют спад коэффициента усиления на низких частотах, вызванный большими сопротивлениями разделительных конденсаторов.

Важно отметить, что условия наилучшей коррекции АЧХ и ФЧХ не всегда совпадают. Это означает, что схемотехнические решения, оптимальные для плоской АЧХ, могут вносить фазовые искажения, и наоборот. В импульсных усилителях ФЧХ часто имеет приоритет, в то время как в усилителях гармонических сигналов важнее АЧХ.

Для корректировки АЧХ, особенно в СВЧ-диапазоне, могут использоваться усилители с распределенным усилением. В таких схемах транзисторы включаются вдоль искусственных длинных линий (с индуктивностями и емкостями), что позволяет расширить полосу пропускания за счет распределения усиления по нескольким каскадам.

Температурная стабилизация рабочего режима

Нестабильная работа усилителя может быть вызвана рядом факторов: нестабильность напряжения источника питания, разброс параметров транзистора при производстве, старение элементов. Однако главная причина нестабильности и смещения рабочей точки — это изменение температуры окружающей среды.

Параметры транзисторов сильно зависят от температуры. Например, при повышении температуры:

• Ток коллектора (I_К) увеличивается: Это происходит из-за увеличения обратного тока коллекторного перехода (I_КБО) и увеличения коэффициента передачи тока (β или h_21Э).
• Напряжение база-эмиттер (U_БЭ) уменьшается: Приблизительно на 2 мВ на градус Цельсия.

Эти изменения приводят к смещению рабочей точки транзистора, что может вывести её за пределы линейного участка ВАХ, вызвать значительные нелинейные искажения, перегрев и даже выход транзистора из строя. Каковы же практические последствия такого смещения для долгосрочной стабильности устройства?

Для температурной стабилизации усилителей применяются различные методы, основанные на введении отрицательной обратной связи (ООС) по постоянному току, которая компенсирует температурные дрейфы.

1. Эмиттерная стабилизация:
   • В каскаде с общим эмиттером в цепь эмиттера последовательно включают резистор R_Э.
   • Принцип действия: Если температура повышается, I_К и I_Э (ток эмиттера) увеличиваются. Это приводит к увеличению падения напряжения на R_Э (UЭ = IЭ · RЭ). В результате напряжение на базе относительно эмиттера (U_БЭ) уменьшается (UБЭ = UБ - UЭ), что в свою очередь уменьшает ток базы I_Б и компенсирует исходное увеличение I_К.
   • Выбор R_Э: Сопротивление R_Э выбирается как компромисс между максимальным динамическим диапазоном (минимальное R_Э для меньшего падения напряжения) и стабильностью работы каскада (достаточно большое R_Э). В усилителях с ОЭ обычно выбирают RЭ ≈ 0,1 · RК.
   • Шунтирование R_Э: Для исключения влияния ООС на коэффициент усиления по переменному току (поскольку резистор R_Э также создает ООС по переменному току, уменьшая усиление), параллельно ему включают конденсатор C_Э. Его емкость выбирается достаточно большой, чтобы его реактивное сопротивление было пренебрежимо малым на нижних частотах рабочего диапазона.
2. Коллекторная стабилизация:
   • Пассивная коллекторная стабилизация: Заключается в соединении базы транзистора через резистор с коллектором. При увеличении I_К, напряжение на коллекторе падает, что приводит к уменьшению напряжения на базе и, соответственно, уменьшению I_Б, стабилизируя I_К.
   • Активная коллекторная термостабилизация: Это высокоэффективный метод, особенно для мощных каскадов, и широко применяется в мощных широкополосных радиопередающих устройствах.
     • Принцип действия: Основан на использовании дополнительного транзистора (VT₂), который отслеживает изменение коллекторного тока основного транзистора (VT₁), вызванное изменением температуры. VT₂, в свою очередь, регулирует базовый ток VT₁, создавая отрицательную обратную связь по постоянному току и стабилизируя рабочую точку.
     • Роль конденсатора C₁: В схеме активной коллекторной стабилизации конденсатор C₁ служит для разрыва петли активной обратной связи на высоких частотах. Это предотвращает самовозбуждение усилителя, которое может возникнуть из-за задержек сигнала в петле обратной связи на высоких частотах.
     • Роль дросселя L₁: Дроссель L₁ в схеме активной коллекторной стабилизации необходим, чтобы на частотах сигнала коллекторная цепь транзистора VT₂ не шунтировала нагрузку. На постоянном токе дроссель имеет малое сопротивление, позволяя VT₂ регулировать смещение VT₁, но на высоких частотах его индуктивное сопротивление велико, что изолирует цепь стабилизации от сигнальной цепи и сохраняет требуемый коэффициент усиления.

Таким образом, комплексное применение методов частотной коррекции и температурной стабилизации позволяет создавать широкополосные усилители, способные надежно работать в широком диапазоне условий, сохраняя при этом высокие эксплуатационные и качественные характеристики.

Источники питания и современные тенденции в проектировании ШУ

Завершающий штрих в создании высокопроизводительного широкополосного усилителя — это не только оптимизация его схемотехники, но и обеспечение надежного, эффективного питания, а также следование актуальным инновационным тенденциям, которые постоянно переопределяют границы возможного.

Требования к источникам питания выходного каскада

Выходные каскады усилителей являются основными потребителями мощности в любой усилительной системе. Их экономичность (КПД) имеет первостепенное значение, поскольку напрямую влияет на тепловыделение, размеры радиаторов, стоимость эксплуатации и общие массо-габа��итные параметры устройства.

• Мощность и КПД: Для обеспечения высоких энергетических показателей усилителя мощности, амплитуды выходных напряжений и токов, а также выходная мощность должны быть близки к соответствующим предельно допустимым параметрам используемого транзистора. Это требует тщательного проектирования источника питания, способного выдавать необходимый ток и напряжение без значительных просадок, что особенно критично для пиковых нагрузок.
• Стабильность: Источник питания должен обеспечивать высокую стабильность выходного напряжения, так как любые пульсации или шумы будут модулировать полезный сигнал, приводя к искажениям.
• Раздельное питание: В усилителях мощности звуковой частоты (УМЗЧ) часто используется раздельное питание (например, повышенное для входного/предусилительного каскада и пониженное для выходного). Это не только снижает перегрузку входных каскадов, но и является ключевым фактором для снижения взаимного влияния между каналами (перекрестных помех) и функциональными блоками усилителя, особенно на низких частотах, где эффективность фильтрующих конденсаторов снижается. Раздельное питание способствует улучшению чистоты сигнала, снижению шумов и, как следствие, значительному повышению качества звуковоспроизведения. Аналогичные принципы применяются и в других широкополосных усилителях для минимизации помех и обеспечения высокой линейности.
• Высоковольтные источники для класса А: В двухтактных усилителях высокой мощности, работающих в классе А, может наблюдаться значительное потребление мощности от высоковольтного источника питания, что подчеркивает необходимость эффективного отвода тепла и проектирования надежных цепей питания.

Инновационные подходы и современные технологии

Требования к усилителям мощности постоянно совершенствуются — от них ожидают большей эффективности, меньших габаритов, более широкой полосы пропускания и повышенной линейности. Это стимулирует активное развитие новых технологий и подходов:

1. Усилители класса D и выше (E, F, G, H):
   • Класс D: Эти усилители работают по принципу широтно-импульсной модуляции (ШИМ), где транзисторы работают в ключевом режиме (либо полностью открыты, либо полностью закрыты). Это позволяет достигать КПД до 90% и более, что значительно сокращает размеры и вес устройств, уменьшает тепловыделение и часто позволяет отказаться от громоздких радиаторов. Они широко применяются в портативной электронике, автомобильных аудиосистемах и мощных звуковых комплексах.
   • Классы E, F, G, H: Дальнейшие усовершенствования ключевых режимов и использования многоуровневых источников питания для оптимизации КПД и линейности.
2. Новые полупроводниковые технологии (GaN, SiC):
   • Нитрид галлия (GaN) и карбид кремния (SiC): Эти широкозонные полупроводники революционизируют рынок усилителей мощности, особенно в СВЧ-диапазоне. Они обеспечивают:
     • Более высокую плотность мощности: Позволяют создавать более компактные и мощные устройства.
     • Расширение рабочего частотного диапазона: До десятков ГГц, что критически важно для систем 5G, радиолокации и радиоэлектронной борьбы.
     • Повышенное пробивное напряжение: Увеличивает допустимые рабочие напряжения.
     • Улучшенную теплопроводность: Позволяет эффективно отводить тепло, снижая потребность в массивных радиаторах.
     • Высокую линейность: Необходима для сложных модулированных сигналов. Например, один GaN-усилитель может заменить пять GaAs LDMOS-усилителей, значительно упрощая схему и повышая надежность.
3. Улучшенная линейность:
   • Для работы со сложными модулированными сигналами (например, в системах связи 5G, Wi-Fi 6) требования к линейности усилителей чрезвычайно высоки, чтобы минимизировать интермодуляционные искажения и гармоники, которые могут загрязнять спектр и снижать пропускную способность.
   • Применяются передовые методы линеаризации:
     • Предыскажения (Digital Pre-Distortion, DPD): Цифровая обработка входного сигнала для компенсации нелинейности усилителя.
     • Обратные связи: Глубокие ООС (отрицательные обратные связи) для улучшения линейности и стабильности.
     • Карты памяти: Использование сложных алгоритмов, которые «запоминают» нелинейные характеристики усилителя и применяют коррекцию.
4. Интеграция и интеллектуализация:
   • Современные усилители мощности становятся более интеллектуальными, интегрируя цифровые сигнальные процессоры (DSP), которые управляют режимами работы, осуществляют линеаризацию и обеспечивают самодиагностику.
   • Внедряются сетевое управление, функции самодиагностики, защиты от перегрузок и перегрева, что превращает усилители из простых «усиливающих» блоков в сложные системные компоненты с возможностями удаленного мониторинга и управления.
5. Системы автоматизированного проектирования (САПР):
   • Разработка современных широкополосных усилителей немыслима без мощных САПР, таких как Advanced Design System (Keysight ADS), NI AWR Design Environment (Microwave Office), Ansys HFSS.
   • Эти инструменты позволяют моделировать схемы на всех этапах проектирования — от выбора компонентов и расчета режимов до анализа электромагнитной совместимости, тепловых режимов и оптимизации топологии печатных плат. Использование Modelithics библиотеки точных моделей компонентов значительно повышает точность моделирования.

Эти тенденции демонстрируют, что область широкополосного усиления продолжает активно развиваться, предлагая инженерам новые возможности для создания высокопроизводительных и инновационных устройств.

Заключение

Проектирование и расчет выходного каскада широкополосного усилителя — это многогранная задача, требующая глубоких теоретических знаний и умения применять практические методики. В ходе данной работы мы рассмотрели фундаментальные принципы, определяющие работу ШУ, их классификацию и ключевые параметры, такие как КПД, нелинейные искажения и произведение коэффициента усиления на ширину полосы пропускания (f_Т).

Мы подробно проанализировали разнообразие схемотехнических решений, от базовых конфигураций (ОЭ, ОК) до сложных двухтактных схем на комплементарных транзисторах, обосновав выбор каждого элемента с учетом требований широкополосности и мощности. Отдельное внимание было уделено причинам ухода от трансформаторных каскадов и их специфическим нишевым применениям, а также преимуществам комплементарных пар перед квазикомплементарными схемами.

Детальный электрический расчет режимов работы, включая выбор оптимальной рабочей точки для классов А, В и АВ, а также методики определения номиналов элементов, составил ядро практического подхода. Была подчеркнута важность графоаналитических методов для визуализации и проверки корректности расчетов.

Мы также углубились в критически важные аспекты обеспечения стабильности и расширения полосы пропускания: частотную коррекцию (индуктивную, низко- и высокочастотную) и методы температурной стабилизации (эмиттерную, коллекторную, включая активную термостабилизацию). Эти методы позволяют инженерам преодолевать физические ограничения и добиваться требуемых характеристик в реальных условиях эксплуатации.

Наконец, был рассмотрен обзор современных тенденций, демонстрирующий, как источники питания и инновационные технологии (усилители класса D, GaN/SiC транзисторы, методы линеаризации, интеллектуализация и САПР) формируют будущее высокоэффективных и малогабаритных широкополосных усилителей для самых требовательных приложений, от телекоммуникаций до радиолокации.

Таким образом, комплексный подход к расчету и проектированию выходных каскадов широкополосных усилителей, сочетающий классические инженерные методики с учетом современных технологических достижений, является залогом успеха в создании высокопроизводительных, надежных и конкурентоспособных электронных устройств. Дальнейшие исследования могут быть сосредоточены на глубокой оптимизации параметров, миниатюризации, повышении интеллектуализации и интеграции таких усилителей в сложные системы.

Список использованной литературы

1. Войшвилло, Г.В. Усилительные устройства: Учебник для вузов. Москва: Радио и связь, 1983. 263 с.
2. Проектирование усилительных устройств на транзисторах / Под ред. Г. В. Войшвилло. Москва: Связь, 1975.
3. Юзов, В.И. Усилительные устройства: Учебное пособие. Красноярск: ИПЦ КГТУ, 1993. 135 с.
4. Громыко, А.И., Григорьев, А.Г. Основы схемотехники аналоговых электронных устройств: Учебное пособие. Красноярск: ИПЦ ПИ СФУ, 2007. 120 с.
5. Григорьев, А.Г. Схемотехника аналоговых электронных устройств. Методические указания по организации самостоятельной работы. Красноярск: ИПЦ ПИ СФУ, 2007. 20 с.
6. Справочник по интегральным микросхемам / Под ред. Б.В. Тарабрина. 3-е изд., перераб. и доп. Москва: Энергия, 1996.
7. Опадчий, Ю.Ф., Глудкин, О.П., Гуров, А.И. Аналоговая и цифровая электроника. Москва: Горячая Линия – Телеком, 2003. 768 с.
8. Остапенко, Г.С. Усилительные устройства: Учебное пособие для вузов. Москва: Радио и связь, 1998. 400 с.
9. Ногин, В.Н., Павлов, В.Н. Схемотехника аналоговых электронных устройств: Учебник для вузов. 3-е изд. Москва: Горячая линия – Телеком, 2005. 267 с.
10. Температурная стабилизация усилителей. Белорусский национальный технический университет, 2019.
11. Широкополосный усилитель. Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет, 2019.
12. Расчет транзисторного широкополосного усилителя. СПбГЭТУ, 2017.
13. Разработка и моделирование широкополосного усилителя для лабораторного макета. Тусур, 2013.
14. Широкополосные и импульсные усилители.
15. Расчёт принципиальной схемы и основных параметров транзисторных каскадов. Казанский государственный технический университет, 2001.
16. Расчет и анализ усилительных устройств на транзисторах. ТГТУ.
17. Бабокин, Геннадий, Подколзин, Анатолий, Колесников, Евгений. Температурная стабилизация усилительного каскада с общим эмиттером. (Часть учебного пособия «Основы функционирования систем сервиса. В 2 ч. Часть 1»).
18. Расчет выходного каскада усилителя: Метод. указания к курсовой работе. СПбГУНиПТ, 2008.
19. Стабилизация положения рабочей точки усилительного элемента. Томский политехнический университет.
20. Лекция 7 Специальные усилители.
21. Расчёт усилителей мощности звуковых частот. ОмГТУ, 2012.
22. Широкополосный усилитель–корректор АЧХ. СВЧ-Электроника, 2020.
23. Режимы работы транзистора. Восточно-Казахстанский технический университет.