UR5FFR

Радиолюбительские конструкции и программы
It is currently 18 Oct 2017, 20:26

All times are UTC + 2 hours




Post new topic Reply to topic  [ 5 posts ] 
Author Message
PostPosted: 16 Sep 2013, 00:07 
Offline
Site Admin

Joined: 21 Apr 2012, 21:00
Posts: 283
Location: Odessa
Позывной: UR5FFR
Усилители мощности с каскодным включением не относятся к популярным в радиолюбительской среде. Несколько публикаций схем на форумах по большей части были проигнорированы и зафлужены бессмысленным обсуждением. Основная проблема этих публикаций - отсутствие вразумительной методики расчета подобных усилителей.

На рис.1 приведена схема усилителя в том виде, в котором она встречается в [5,6]. Он содержит 1й каскад по схеме с ОИ и цепочку каскадов по схеме с ОЗ. Кардинальным отличием от классического каскода является то, что емкости конденсаторов в цепи затвора сравнительно малы - десятки и сотни пф.

При правильном расчете схема функционирует в режиме сложения мощностей от каждого транзистора на нагрузке. Такое включение имеет следующие преимущества
1) нивелирование роли Cgs и Cdg
2) возможность повышения выходной мощности за счет увеличения кол-ва каскадов и повышения напряжения питания, при этом напряжение питания равномерно распределяется между всеми каскадами
3) использование линейки маломощных транзисторов позволяет увеличить выходную мощность, при этом не выходя за пределы рассеиваемой мощности для каждого из транзисторов

Attachment:
схемы_01.GIF
схемы_01.GIF [ 12.1 KiB | Viewed 26591 times ]


Для понимания принципов работы схемы необходимо вспомнить о емкостях Cgs и Cgd, и нарисовать эквивалентную схему рис.2. Эту схему можно представить как цепочку элементарных каскадов с ОИ рис.3.

Очевидно, что часть входного напряжения через емкостный делитель CgsC1 подается на затвор ПТ. Это вызывает повышение входного сопротивления каскада и снижение его Кус. В то же время емкость Cgd эквивалентна включение параллельно C1 отрицательной емкости -Cgd*(Gv-1), что вынуждает увеличивать номинал C1 для ее компенсации.
Эквивалентная схема и основные расчетные формулы приведены на рис.4.

Attachment:
схемы_02.GIF
схемы_02.GIF [ 10.47 KiB | Viewed 26591 times ]


При расчете многокаскадной схемы рис.1 задаются следующими условиями:
1) напряжение питание делится поровну на все каскады
2) сопротивление нагрузки делится поровну на каскады

На последнем пункте остановлюсь более подробно. Предположим что у нас сопротивление нагрузки 50ом и усилитель содержит 1й каскад ОИ и 3 каскада с ОЗ (итого 4 транзистора). Покаскадный расклад:
* сопротивление нагрузки VT1 = входное сопротивление VT2 = 12.5ом
* сопротивление нагрузки VT2 = входное сопротивление VT3 = 25ом
* сопротивление нагрузки VT3 = входное сопротивление VT4 = 37.5ом
* сопротивление нагрузки VT4 = 50ом

Наладку усилителя с цепями смещения рис.1 имеет смысл вести покаскадно. Для каждого каскада с ОЗ собирается на макетке схема рис.4. Напряжение питания устанавливается равным общему напряжению питания деленному на кол-во каскадов. С помощью резисторов цепи смещения выставляется заданный ток покоя. Потом нагружаем выход на требуемое для данного каскада сопротивление нагрузки Rн и подаем сигнал с ГСС. Замеряем модуль входного сопротивления по любой известной методике (например с помощью дополнительного образцового сопротивления в цепи ГСС). В случае существенного отклонения его от требуемого для этого каскада производим коррекцию емкости в цепи затвора. Ее увеличение уменьшает входное сопротивление, а уменьшение - соответственно увеличивает.
Усилитель собирается из предварительно налаженных блоков. Такой подход автоматически учитывает разброс параметров ПТ (крутизна, Cgs, Cgd).

В дальнейшем будут рассмотрены другие цепи смещения, которые позволяют существенно упростить наладку и запуск усилителей такого типа.

Усилитель может работать в режимах А, В, С в зависимости от выбранного тока покоя. Два таких усилителя могут быть без проблем объединены в двухтактный каскад.
В случае низкого напряжения питания усилитель может быть собран с параллельным питанием рис.5.

Attachment:
схемы_03.GIF
схемы_03.GIF [ 8.66 KiB | Viewed 26591 times ]


Литература:
1. High power high impedance microwave devices for power application, Patent US3137367, 2000
2. Multi-cascode transistor, Patent US6888396, 2005
3. Cascode circuit and integrated circuit having it, Patent US7071786, 2006.
4. Белоконь А.Н. UR5FFR, Активное согласования входного импеданса в усилителях ОЗ, viewtopic.php?f=17&t=115
5. Богданов, Тихомиров, Усилители высокой частоты нового поколения, ИНФОРМОСТ №5 2006.
6. Усилитель RD3ZL, http://www.cqham.ru/forum/showthread.ph ... post507877
7. А.Кабаев UR5ZQV, Транзисторные PA при низком напряжении питания, http://www.cqham.ru/pa14_21.htm
8. А.Н.Дудов UR5ZD, Многоэтажный каскодный линейный усилитель мощности однополосных сигналов, http://www.cqham.ru/pa_ur5zd.htm


Top
 Profile  
 
PostPosted: 18 Sep 2013, 21:30 
Offline
Site Admin

Joined: 21 Apr 2012, 21:00
Posts: 283
Location: Odessa
Позывной: UR5FFR
Важным отличием рассматриваемой схемы от обычного каскода состоит в том, что в стековом каскоде усиление по напряжению равномерно распределено между всеми транзисторами, в то время как в обычном каскоде усиление в основном выдает самый верхний транзистор.
Это хорошо видно на двух следующих картинка. Рассматривается усилитель из 3х 2N7000, нижний ОИ, два других - ОЗ. Приведены эпюры входного напряжения (зеленый цвет) и напряжений на стоках каждого транзистора (нумерация снизу). Сток T3 - это нагрузка. Эпюры сняты при расчетной нагрузке 50R. Каскод получался из стекового каскода путем шунтирования затворов каскадов с ОЗ на землю емкостями в 0,1u

Attachment:
cascode_3x2N700_50R.gif
cascode_3x2N700_50R.gif [ 13.33 KiB | Viewed 26536 times ]


Видно что в случае каскода усиливает сигнал по напряжению самый верхний транзистор. А так как ток через все транзисторы одинаков, то именно на нем и будет рассеиваться практически вся мощность.

Attachment:
stacked_cascode_3x2N700_50R.gif
stacked_cascode_3x2N700_50R.gif [ 15.17 KiB | Viewed 26536 times ]


У стекового каскода усиление по напряжению равномерно распределено между всеми транзисторами. Что приводит к распределению рассеиваемой мощности между ними примерно поровну.

Теперь посмотрим что происходит при существенном отклонении сопротивления нагрузки от штатного. В случае низкого сопротивления нагрузки эпюры напряжения практически не отличаются от штатного режима.

Attachment:
cascode_3x2N700_10R.gif
cascode_3x2N700_10R.gif [ 12.95 KiB | Viewed 26536 times ]


Attachment:
stacked_cascode_3x2N700_10R.gif
stacked_cascode_3x2N700_10R.gif [ 14.39 KiB | Viewed 26536 times ]


Более драматична картина в случае повышенного сопротивления нагрузки

Attachment:
cascode_3x2N700_500R.gif
cascode_3x2N700_500R.gif [ 10.95 KiB | Viewed 26536 times ]


Attachment:
stacked_cascode_3x2N700_500R.gif
stacked_cascode_3x2N700_500R.gif [ 13.41 KiB | Viewed 26536 times ]


Очевидно, что обычный каскод имеет много шансов "сгореть". Причем "умрет" самый верхний транзистор - на нем рассеивается вся мощность. А вот стековый каскод продолжает примерно равномерно перераспределять мощность на все транзисторы и тепловой пробой наступит при больших сопротивлениях нагрузки.


Top
 Profile  
 
PostPosted: 22 Sep 2013, 22:07 
Offline
Site Admin

Joined: 21 Apr 2012, 21:00
Posts: 283
Location: Odessa
Позывной: UR5FFR
Анализируя формулы рис.4, описывающие работу одного каскада ОЗ, становится понятным, что в реальном усилителе изменение Rн распространяется по цепочке каскадов. Происходит это ввиду неидеальности транзисторов и наличия у них проходной емкости Cgd. С другой стороны зависимость Zin он Rн у такого каскада достаточно нелинейная и носит квадратичный характер, что приводит к некоторым перекосам при изменении Rн.
Другими отрицательным моментом использования емкостных делителей является сравнительно небольшие емкости в цепи затвора и сильная нелинейная зависимость собственных емкостей ПТ от напряжения.

Исследования, проведенные мной в [1], привели к разработке теории каскадов ОЗ с ООС сток-затвор рис.6. Важная особенность такого каскада - практически линейная зависимость входного импеданса от сопротивления нагрузки Zin=Rн/Gv. На рис.7 приведена практическая схема такого каскада с формулами расчета.

Attachment:
схемы_04.GIF
схемы_04.GIF [ 14.72 KiB | Viewed 23303 times ]


На рис.8 приведена схема стекового каскода с применением таких каскадов. Расчет его похож на расчет стека с емкостными делителями. Вначале мы задаемся Rн и рассчитываем входные/выходные импедансы каждого каскада. Далее по формулам рассчитываем резистивные делители и корректирующие конденсаторы в цепи затвора.

Моделирование этого типа усилителей показали его лучшее поведение при отличии сопротивления нагрузки от расчетной. Схема гораздо точнее распределяет рассеиваемую мощность на все транзисторы.

Схема обладает новизной и не встречалась мне ранее в литературе и патентах имеющих отношение к стековым каскодам.

Литература:
1. Белоконь А.Н. UR5FFR, Активное согласования входного импеданса в усилителях ОЗ


Top
 Profile  
 
PostPosted: 08 Aug 2014, 22:27 
Offline
Site Admin

Joined: 21 Apr 2012, 21:00
Posts: 283
Location: Odessa
Позывной: UR5FFR
Рассмотрим стековый каскод рис.9. Сопротивление нагрузки Rн равномерно распределяется по цепочке VT2..VTn. Таким образом со стороны истока VT2 мы получим входное сопротивление равное Rн/n. Входное сопротивление VT2 является сопротивлением нагрузки для VT1. На Рис.10 приведена эквивалентная схема и формула общего коэф.усиления стекового каскода. Видно что она линейно зависит от сопротивления нагрузки и крутизны VT1. При внештатных ситуациях это может привести к выходу из строя VT1.
Кроме этого при большом Кус VT1 и использовании транзисторов с большими емкостями мы получим существенное ограничение полосы рабочих частот из за эффекта Миллера.

Attachment:
схемы_05.GIF
схемы_05.GIF [ 11.36 KiB | Viewed 23298 times ]


Чтобы предотвратить эти негативные явления достаточно ввести ООС в виде резистора Rf рис.11. Исследования в моделировщике показывают что такая схема стабилизирует Кус VT1 и позволяет точно настроить усиление при разбросе крутизны применяемых транзисторов.
При выборе достатчно большого Кус можно получить эффект значительного снижения Кус при уменьшении Rн. В то же время при повышении Rн Кус изменяется крайне незначительно. Например при стековый каскод из 5 звеньев, Rf=560R, g(VT1)=2А/В и сопротивлении источника сигнала равном 50R получены такие цифры (Rн, Кус):

1 0,55
2 1,06
5 2,37
10 4,02
20 6,17
30 7,50
40 8,41
50 9,07
75 10,12
100 10,75
150 11,46
200 11,85
300 12,27
400 12,49
600 12,72
800 12,83
1000 12,91

Такое поведение усилителя снижает риск выхода из строя при перегрузке выхода.
При использовании такого решения необходимо учесть, что входное сопротивление не является строго равным 50R и существенно зависит от сопротивления нагрузки. Входное сопротивление можно определить по формуле:

Rвх = Rf / (1+g(VT1)*Rн/(n+1))

где n - кол-во транзисторов в этежерке.

Литература
1. Белоконь А.Н. UR5FFR, Усилитель ОЭ с ООС К-Б


Top
 Profile  
 
PostPosted: 09 Aug 2014, 20:18 
Offline
Site Admin

Joined: 21 Apr 2012, 21:00
Posts: 283
Location: Odessa
Позывной: UR5FFR
Мощные ПТ имеют значительный разброс как крутизны, так и порогового напряжения. Схема рис.12 позволяет задать ток покоя усилителя всего одним переменным резистором независимо от разброса параметров примененных ПТ. Резисторы R в делителе имеют одинаковый номинал, который должен быть больше импеданса конденсатора в цепи затвора в диапазоне рабочих частот. Меньшие значения сопротивления делителя приведет к завалу АЧХ в области верхних частот. Типовое значение 1-5ком.

Пороговое напряжение мощных ПТ находится в пределах 2-4в. Используя тот факт, что падение напряжения на светодиоде составляет порядка 2в регулировку тока покоя можно реализовать по схеме рис.13. Или используя внешний источник тока рис.14.

Rin определяет входное сопротивление усилительного каскада и должны выбираться из условия
Rin < 1/(2*pi*Fmax*Cin)
где Fmax - максимальная рабочая частота (спад АЧХ на 3дб)
Cin - приведенная ко входу ПТ емкость равная Cgs+Cgd*(G(VT1)-1) где G(VT1) - коэфф.усиления каскада по напряжению.

Attachment:
схемы_06.GIF
схемы_06.GIF [ 13.92 KiB | Viewed 23294 times ]


Т.к. при изменении температуры корпуса наблюдается некоторое изменение ВАХ, то можно применить схему термокомпенсации тока покоя на рис.15. На общем радиаторе устанавливается транзистор VTbias такого же типа как и другие транзисторы. В точку соединения затвора и стока VTbias подается стабильный ток, равный току покоя усилителя. В результате на затворе VT1 формируется напряжение смещения зависящее от температуры.
На рис.16 приведена схема с повышенным коэфф.стабилизации [2].

Для работы этих схем необходим источник стабильного тока, который можно выполнить по различным типовым схемам. В случае схемы рис.15-16 его можно заменить обычным резистором. В случае схемы рис.14 - применить более сложные источники тока на транзисторах.

Attachment:
схемы_07.GIF
схемы_07.GIF [ 7.42 KiB | Viewed 23294 times ]


В случае использования внешнего источника тока резистор смещения R (рис.12) не подсоединяем к затвору VT1 а просто заземляем.

1. Gate biasing arrangement to temperature compensate quiscent current of a power transistor, US Patent 6288596, 2001
2. Белоконь А.Н. UR5FFR, Источник опорного напряжения на MOSFET
3. Radio frequiency power amplifier adaptive bias control circuit, US Patent 6819180, 2004


Top
 Profile  
 
Display posts from previous:  Sort by  
Post new topic Reply to topic  [ 5 posts ] 

All times are UTC + 2 hours


Who is online

Users browsing this forum: No registered users and 1 guest


You cannot post new topics in this forum
You cannot reply to topics in this forum
You cannot edit your posts in this forum
You cannot delete your posts in this forum
You cannot post attachments in this forum

Search for:
Jump to:  
Powered by phpBB® Forum Software © phpBB Group