Моделирование в симуляторе рассмотренных в части 1 схем УВЧ.
Смотри также:
Часть 1 Сравнение схем апериодических ВЧ усилителей
Часть 2-1 Еще схемы
Часть 3-2 Схемы с компенсацией емкости Сбк. Двух-транзисторные схемы
Часть 3-3 Схемы с компенсацией емкости Сбк. Трех-транзисторные схемы
Часть 3-4 Схемы с компенсацией емкости Сбк. Четырех-транзисторные схемы
Часть 3-5 Схемы с компенсацией емкости Сбк. Пяти-транзисторные схемы
Часть 4. Схемы на усилителях тока.
Хотя рассмотренные в части 1 схемы УВЧ собирались и были опробованы реально, но все же они перед этим были проверены в симуляторе. Проверялось как влияют номиналы резисторов и конденсаторов на АЧХ и коэффициент усиления, насколько схемы капризны к режиму по постоянному току, как влияют на АЧХ емкость нагрузки и внутреннее сопротивление источника сигнала.
Был использован простой симулятор Electronics Workbench. Несмотря на свою простоту и древность, он довольно неплохо рассчитывает режимы схем по постоянному току, АЧХ, прохождение реальных сигналов по цепям. Сравнительная проверка моделей схем в других симуляторах не выявила заметных отличий.
Часто при опробовании схем в симуляторе применяют транзистор 2N3904. Я тоже часто их использовал. Судя по datasheet, они должны быть близки по параметрам к КТ315, но так ли это... Поэтому прежде всего хотелось бы посмотреть их в реальной схеме и выяснить их соответствие советским транзисторам.
Как показало такое опробование в простейших схемах ОЭ, ОБ, ОЭ-ОБ, ОК-ОБ, транзистор 2N3904 действительно показывает результаты близкие к КТ315, но иногда несколько лучше, где то между КТ315 и КТ306. Тем удивительнее что в некоторых очень удачных схемах симулятор показал для них полосу частот до 100 МГц, и даже до 170 МГц (об этих схемах далее, в части 3). К сожалению, реально собранные схемы таких выдающихся результатов не показали.
---------------------------------------------------------------------------
Итак, схема 1, ОЭ.
Здесь как будто и смотреть то нечего. Однако, это не так. Например, как влияет на АЧХ внутреннее сопротивление источника сигнала? Любая схема, любой источник сигнала имеет конечное внутреннее сопротивление. Поэтому посмотрим как изменится АЧХ при изменении Ri=0, 50, 300 Ом.
2N3904___ОЭ___К=170___Fв=40 МГц___(Ri=0)
2N3904___ОЭ___К=156___Fв=6 МГц____(Ri=50)
2N3904___ОЭ___К=110___Fв=1.6 МГц__(Ri=300)
Видим что внутреннее сопротивление источника сигнала сильно влияет на АЧХ. Почему? Дело в том что в схеме ОЭ есть эффект Миллера, или внутренняя отрицательная обратная связь (ООС) через емкость Сбк. И чем меньше внутреннее сопротивление источника сигнала Ri, тем слабее эта ООС, потому что это сопротивление образует делитель Сбк-Ri, и чем меньше Ri, тем слабее эта обратная связь. Что это значит для практических действий – необходимо уменьшать это внутреннее сопротивление. Каким образом? В простейшем случае это установка на входе каскада ОК. Это возможно во всех случаях кроме малошумящих входных каскадов, там нужно искать другие способы.
Вот пример как влияет на АЧХ установка на входе каскада ОК. Видим что способ реально работает, во всяком случае в теории..
2N3904___ОЭ________К=144___Fв=3.6 МГц___(Ri=100)
2N3904___ОЭ-ОК____К=168___Fв=33 МГц___(Ri=100)
Кроме внутреннего сопротивления источника сигнала на АЧХ влияет емкость реальной нагрузки. Для расширения АЧХ влияние этой емкости тоже необходимо каким то образом уменьшить. Проще всего это сделать тоже с помощью каскада ОК на выходе схемы. Вот пример сравнения схемы ОЭ и схемы ОК-ОЭ-ОК при емкости нагрузки 15 пф и внутреннем сопротивлении источника сигнала Ri=100 Ом. Видим что АЧХ таким способом возможно корректировать.
2N3904__ОЭ___________К=144__Fв=3 МГц___(Ri=100, Сн=15пф)
2N3904__ОЭ___________К=100__Fв=5 МГц___(Ri=100, Сн=15пф)_реально собрано
2N3904__ОК-ОЭ-ОК__К=166___Fв=23 МГц__(Ri=100, Сн=15пф)
2N3904__ОК-ОЭ-ОК__К=107___Fв=12 МГц__(Ri=100, Сн=15пф)_реально собрано
----------------------------------------------------------------
Схема 2. ОБ.
Здесь действительно нет вопросов. Эффект Миллера отсутствует, поэтому АЧХ каскада максимально возможная (при наличии на выходе каскада ОК который снижает влияние емкости нагрузки). Входное сопротивление схемы где то около 10 Ом.
2N3904___ОБ_______К=160___Fв=10 МГц__( Сн=15пф)
2N3904___ОБ-ОК___К=160___Fв=28 МГц__( Сн=15пф)
2N3904___ОБ-ОК___К=89____Fв=24 МГц___( Сн=15пф)__реально собрано
Здесь видим, что и в реально собранной схеме есть значительное расширение АЧХ при использовании каскада ОК, но немного меньше чем это показывает симулятор. Маленький коэффициент усиления имеет причиной не только малый коэффициент усиления транзистора, но малой точностью замера реальной амплитуды входного сигнала на очень низком входном сопротивлении схемы (~10 Ом), форма сигнала которого сильно искажается для импульсных сигналов.
--------------------------------------------------------------
Схема 3. ОЭ-ОЭ-ОК, с отрицательной обратной связью (ООС).
2N3904____К=817___Fв=11 МГц___(Rос=1)
2N3904____К=440___Fв=19 МГц___(Rос=2)
2N3904____К=186___Fв=31 МГц___(Rос=5)
2N3904____К=95____Fв=40 МГц___(Rос=10)
Ширина АЧХ довольно скромная, но усиление достаточно большое. Эта схема не капризна в настройке, допускает широкую регулировку режимов по постоянному току, простоту регулировки коэффициента усиления. Еще немного расширить границу АЧХ можно уменьшением нагрузочных сопротивлений в коллекторе с 1к до 510 Ом, или до 330 Ом и шунтированием Rос конденсатором малой емкости. Но при этом снижается общая глубина ООС, величина максимального усиления. Например, при установке в коллекторе вместо 1к номинала 330 Ом:
2N3904____К=766__Fв=15 МГц___(Rос=1)
2N3904____К=92___Fв=49 МГц___(Rос=10)
2N3904____К=90___Fв=48 МГц___(Rос=10) реально собрано
2N3904____К=92___Fв=62 МГц___(Rос=10 и С=150 пФ)
Реально собранная схема показала хорошее совпадение с симулятором (за исключением ее склонности к самовозбуждению).
---------------------------------------------------------------
Схема 5. ОЭ-ОЭ-ОК, с отрицательной обратной связью (ООС).
2N3904____К=3900___Fв=0.86 МГц___(Rэ=10, без Rос)
2N3904____К=2100___Fв=0.81 МГц___(Rэ=24, без Rос)
2N3904____К=2200___Fв=0.9 МГц____(Rэ=24, без Rос) Ri=0
2N3904____К=1200___Fв=0.8 МГц____(Rэ=50, без Rос)
2N3904____К=710____Fв=0.68 МГц___(Rэ=100, без Rос)
2N3904____К=660___Fв=17 МГц___(Rэ=10, Сэ=2200, Rос=8.2к)
2N3904____К=287___Fв=32 МГц___(Rэ=24, Сэ=680, Rос=8.2к)
2N3904____К=300___Fв=53 МГц___(Rэ=24, Сэ=1000, Rос=8.2к) Ri=0
2N3904____К=310___Fв=24 МГц___(Rэ=22, Rос=8.2к)__реально собрано
2N3904____К=141___Fв=50 МГц___(Rэ=50, Сэ=300, Rос=8.2к)
2N3904____К=72____Fв=74 МГц___(Rэ=100, Сэ=150, Rос=8.2к)
Влияние внутреннего сопротивления источника сигнала Ri есть, но оно значительно ослаблено из-за ООС.
Возможность применения в схеме вч коррекции с помощью конденсатора Сэ позволяет значительно увеличить границу АЧХ. Коэффициент усиления схемы регулируется с помощью изменения глубины ООС (Rэ и Rос).
Это одна из широкополосных схем, наряду со схемой 8+ и 10.
---------------------------------------------------------------------
Схема 6. ОЭ-ОБ-ОК.
2N3904____К=210___Fв=27 МГц__(Ri=0, Сн=15пф)
2N3904____К=157___Fв=20 МГц__(Ri=100, Сн=15пф)
2N3904____К=110___Fв=17 МГц__(Ri=100, Сн=15пф)_реально собрано
Режим по постоянному току здесь автоматически устанавливается с помощью резистора ООС 100к. На коэффициент усиления по переменному току он практически не влияет, ведь коэффициент усиления каскада ниже чем коэффициент делителя ООС.
Здесь, в этой схеме казалось бы должны быть все те же недостатки как и для схемы ОЭ, ведь первым здесь стоит каскад ОЭ. Но дело в том что он нагружен на очень низкое сопротивление каскада ОБ. Поэтому усиления по напряжению каскад ОЭ не дает, он является лишь усилителем тока. А основное усиление по напряжению дает каскад ОБ. Кроме того, здесь практически не влияет эффект Миллера, потому что сопротивление нагрузки каскада ОЭ очень маленькое. Поэтому и влияние на АЧХ сопротивления источника сигнала тоже минимально.
Видим что для этой схемы границы АЧХ в симуляторе и в реальной схеме мало отличаются.
--------------------------------------------------------------------------
Схема 7. ОК-ОБ-ОК.
1. 2N3904____К=100__Fв=17 МГц__(Ri=100) без ООС
__2N3904____К=82___Fв=17 МГц__(Ri=100, Сн=15пФ) без ООС_реально собрано
__2N3904____К=103__Fв=21 МГц__(Ri=0) без ООС
2. 2N3904____К=48____Fв=37 МГц__(Ri=100) Rос=10к/100+400 пФ
3. 2N3904____К=32____Fв=57 МГц__(Ri=100) Rос=10к/200+200 пФ
4. 2N3904____К=20____Fв=76 МГц__(Ri=100) Rос=5к/200+100 пФ
Эта схема является усовершенствованием схемы ОБ. Каскад ОК на входе согласует низкое входное сопротивление каскада ОБ с источником сигнала. А каскад ОК на выходе согласует каскад ОБ с нагрузкой. Коэффициент усиления схемы может регулироваться с помощью резистора Rос. Режим по постоянному току поддерживается с помощью ООС через резистор 10к.
Видим что для этой схемы границы АЧХ в симуляторе и в реальной схеме совпали.
-----------------------------------------------------------------
Схема 8. ОЭ-ОЭ-ОЭ. С последовательным питанием каскадов.
2N3904_____К=11300___Fв=8 МГц____(Rэ=10, Сэ=1000)
2N3904_____К=5000____Fв=14 МГц___(Rэ=24, Сэ=300)
2N3904_____К=5800____Fв=18 МГц___(Rэ=24, Сэ=200) Ri=0
2N3904_____К=3300____Fв=48+ МГц__(Rэ=22)_реально собрано возбуд, выброс
2N3904_____К=2500____Fв=21 МГц___(Rэ=50, Сэ=150)
2N3904_____К=1100____Fв=48+ МГц__(Rэ=40)__реально собрано возбуд, выброс
2N3904_____К=1300____Fв=27 МГц___(Rэ=100, Сэ=70)
2N3904_____К=680_____Fв=35 МГц___(Rэ=200, Сэ=40)
2N3904_____К=310_____Fв=43 МГц___(Rэ=500, Сэ=20)
2N3904_____К=185_____Fв=49 МГц___(Rэ=1000, Сэ=15)
КТ315_______К=5200____Fв=6 МГц____(Rэ=20)__реально собрано
Схема имеет очень большое усиление, особенно при Rэ меньше 10 Ом, и без отрицательных обратных связей ее вряд ли целесообразно использовать. При таких больших коэффициентах усиления усилитель весьма склонен к возбуждению, кроме того на выходе наблюдаются большие собственные шумы.
Схема с последовательным питанием каскадов. За счет этого при минимальном количестве элементов схемы все каскады имеют жестко стабилизированную рабочую точку по постоянному току. Однако в этом и сложность, установить правильный режим усиления для всех каскадов одновременно бывает непросто. Регулировка коэффициента усиления схемы возможна в оконечном каскаде, входной каскад оказывается вне действия обратной связи. Поэтому влияние ООС на АЧХ будет лишь частичное, несмотря на значительный запас по усилению, значительно расширить полосу частот при введении глубокой ООС не удастся. В исходном варианте схемы конденсатор Сэ слабо влияет на АЧХ, именно потому что влияет только на оконечный каскад усиления.
Реально собранная схема из-за большого коэффициента усиления с вч транзисторами неустойчива, звон и выбросы на фронтах сигнала, самовозбуждается при любой глубине обратной связи. Возбуждение можно устранить лишь использованием высокоомного источника сигнала, но при этом уменьшается усиление, полоса.
Для улучшения частотных параметров схемы применяют ООС охватывающую все каскады, такой вариант схемы рассмотрен далее.
2N3904____К=460___Fв=52 МГц____(Rэ=2, Сэ=0)
2N3904____К=185___Fв=75 МГц____(Rэ=5, Сэ=20)
2N3904____К=92____Fв=93 МГц____(Rэ=10, Сэ=12)
2N3904____К=130___Fв= МГц______(Rэ=10)__реально собрано – возбуд
2N3904____К=40____Fв=48+ МГц__(Rэ=20)__реально собрано – возбуд
2N3904____К=38____Fв=112 МГц___(Rэ=24, Сэ=10)
2N3904____К=40____Fв=150 МГц___(Rэ=24, Сэ=50) Ri=0
КТ315_____К=100___Fв=15 МГц_____(Rэ=5)____реально собрано
КТ315_____К=70____Fв=20 МГц_____(Rэ=10)___реально собрано
КТ315_____К=43____Fв=24 МГц_____(Rэ=20)___реально собрано
Эта схема имеет очень даже неплохую АЧХ. Конденсатор Сэ необязателен, его влияние на АЧХ очень слабое, кроме того, его установка способствует самовозбуждению на вч и звону на фронтах импульсов. Самовозбуждение иногда устраняется например с помощью установки RC фильтра в коллекторе выходного каскада ОК, как это было показано на схеме 8 в части 1. Но с вч транзисторами реально собранная схема неустойчива, самовозбуждается при любой глубине обратной связи. Возбуждение можно устранить лишь использованием высокоомного источника сигнала, но при этом уменьшается усиление, полоса.
Эта схема требует тщательного подбора номиналов для установки правильного положения рабочей точки по постоянному току всех каскадов!
Внутреннее сопротивление источника сигнала Ri должно заметно влиять на АЧХ, как это и должно быть в схемах с ОЭ. Для устранения этого влияния и для устранения влияния емкости нагрузки на входе и на выходе целесообразно установить каскад ОК. Данный вариант схемы был опробован и показал следующие результаты:
2N3904____К=480___Fв=100 МГц___(Rэ=2, Сэ=1000)
2N3904____К=190___Fв=126 МГц___(Rэ=5, Сэ=500)
2N3904____К=95____Fв=136 МГц___(Rэ=10, Сэ=300)
2N3904____К=39____Fв=152 МГц___(Rэ=24, Сэ=150)
2N3904____К=39____Fв=175 МГц___(Rэ=24, Сэ=150) Ri=0
КТ315______К=103__Fв=15 МГц_____(Rэ=5)___реально собрано
КТ315______К=65___Fв=20 МГц_____(Rэ=10)__реально собрано
КТ315______К=40___Fв=30 МГц_____(Rэ=20)__реально собрано
Это максимальный результат по ширине АЧХ для рассмотренных здесь схем, для заданных стандартных номиналов коллекторной нагрузки, емкости нагрузки, сопротивления источника сигнала и заданного типа транзисторов. Характерно что лучший результат получен именно в схемах ОЭ с ООС, а не в схемах с ОБ, как можно было бы предполагать. Именно большое исходное усиление схемы и глубокая ООС дают наиболее широкие полосы АЧХ. Резкий выброс на АЧХ вблизи верхней границы говорит о сниженной устойчивости усилителя и склонности к возбуждению на этих частотах. Это обычное явление в многокаскадных схемах с ООС.
Увы, но для реально собранной схемы установка на входе каскада ОК не дала расширения АЧХ, видимо по той причине что ограничение АЧХ происходит не во входном каскаде. Кроме того, реально собранная схема на вч транзисторах неустойчива, наблюдается самовозбуждение при любой глубине обратной связи. Схема имеет явно избыточное усиление сосредоточенное в одной схеме.
----------------------------------------------------------------
Схема 9. ОЭ-ОК-ОЭ-ОК, с отрицательной обратной связью (ООС).
2N3904___К=1560___Fв=17 МГц___(Rэ=10, Rос=24к)
2N3904___К=710____Fв=24 МГц___(Rэ=24, Rос=24к)
2N3904___К=740____Fв=33 МГц___(Rэ=24, Rос=24к) Ri=0
2N3904___К=360____Fв=29 МГц___(Rэ=50, Rос=24к)
2N3904___К=190____Fв=34 МГц___(Rэ=100, Rос=24к)
2N3904___К=153____Fв=33 МГц___(Rэ=100, Rос=24к реально собрано
2N3904___К=106____Fв=47 МГц___(Rэ=100, Rос=12к)
2N3904___К=100____Fв=47 МГц___(Rэ=100, Rос=12к) реально собрано
Ширина АЧХ так себе, далеко не лучшая. Но два каскада усиления ОЭ-ОК дают достаточно большое усиление. Что удивило, так это то что в отличие от схемы 5 здесь конденсатор Сэ слабо влияет на расширение АЧХ, поэтому особого смысла в его установке нет. В остальном же, здесь также легко можно регулировать усиление схемы глубиной ООС. Здесь также автоматически поддерживается рабочая точка по постоянному току. Внутренне сопротивление Ri хоть и влияет на АЧХ, но не сильно, опять же по причине наличия ООС.
Реально собранная схема показала хорошее совпадение с симулятором. В реальной схеме наблюдается звон и подвозбуд на фронтах сигнала.
------------------------------------------------------------------
Схема 10. ОЭ-ОЭ-ОБ-ОК, с отрицательной обратной связью (ООС).
2N3904___К=740___Fв=25 МГц___(Rэ=10, Сэ=780, Rос=10к)
2N3904___К=2300__Fв=48+ МГц_(Rэ=10, без ООС)__реально собрано возбуд
2N3904___К=750___Fв=42 МГц___(Rэ=10, Rос=10к)__реально собрано звон
2N3904___К=330___Fв=43 МГц___(Rэ=24, Сэ=260, Rос=10к)
2N3904___К=344___Fв=45 МГц___(Rэ=24, Сэ=260, Rос=10к) Ri=0
2N3904___К=165___Fв=61 МГц___(Rэ=50, Сэ=130, Rос=10к)
2N3904___К=170___Fв=46 МГц___(Rэ=50, Rос=10к)__реально собрано звон
2N3904___К=1000__Fв=6 МГц____(Rэ=50, без ООС)___реально собрано
2N3904___К=85____Fв=77 МГц___(Rэ=100, Сэ=70, Rос=10к)
2N3904___К=500___Fв=8 МГц____(Rэ=100, без ООС)__реально собрано
2N3904___К=230___Fв=24 МГц___(Rэ=100 Rос=36к)__реально собрано
2N3904___К=88____Fв=45 МГц___(Rэ=100 Rос=10к)__реально собрано
Эта схема имеет довольно широкую АЧХ. Влияние на АЧХ внутреннего сопротивления источника сигнала Ri здесь минимально. Рабочая точка по постоянному току устанавливается и поддерживается автоматически. Коэффициент усиления можно менять в больших пределах за счет изменения глубины ООС.
Реально собранная схема показала неплохое совпадение с симулятором. Есть склонность к самовозбуждению при использовании емкостной коррекции.
------------------------------------------------------
Реально собранные схемы, сравнение:
Выводы:
Большинство рассмотренных схем показали неплохое усиление и ширину АЧХ, при этом они достаточно просты и требуют малого количества транзисторов. И они не капризны в установке режима и не требуют подбора транзисторов с одинаковыми параметрами. Рассмотренные далее реально собранные схемы с "компенсацией" емкости Сбк и схемы на усилителях тока в своем большинстве показали гораздо худшие параметры при большом количестве транзисторов, и они капризны в установке рабочей точки схем.
Часть рассмотренных здесь схем показала неплохое совпадение симулятора и реально собранных схем, но часть схем показала расхождение.