Каскадные усилители высокой частоты (ВЧ) являются фундаментальным строительным блоком современной радиотехники. Они применяются в приёмных и передающих устройствах, рациях, радарных станциях, спутниковой связи и множестве других систем, где необходимо увеличить амплитуду слабого высокочастотного сигнала без существенного искажения его формы и спектрального состава.

В данной статье подробно рассматриваются принципы построения каскадных усилителей ВЧ, основные схемы включения транзисторов, способы связи между каскадами, вопросы устойчивости и шумовых характеристик.

Что такое каскадный усилитель ВЧ

Каскадный усилитель, это усилительное устройство, состоящее из нескольких последовательно соединённых усилительных каскадов. Выход сигнала одного каскада подаётся на вход следующего. Общий коэффициент усиления такой цепи равен произведению коэффициентов усиления отдельных каскадов (при условии согласования входных и выходных сопротивлений).

В области высоких частот (обычно от нескольких сотен килогерцов до многих гигагерцов) особенности работы усилителей определяются не только параметрами активных элементов (транзисторов, ламп), но и паразитными ёмкостями, индуктивностями, эффектом кожи, а также необходимостью обеспечения устойчивости и низкого уровня собственных шумов.

Основные параметры усилителей высокой частоты

При проектировании каскадных усилителей ВЧ оперируют следующими ключевыми характеристиками:

• Коэффициент усиления по напряжению и по мощности — отношение выходного сигнала к входному. В каскадном усилителе общий коэффициент умножается на коэффициенты отдельных ступеней.
• Полоса пропускания (АЧХ), диапазон частот, в котором коэффициент усиления изменяется не более чем на 3 дБ от максимального значения. Для ВЧ-усилителей критически важны верхняя граничная частота и крутизна среза вне полосы.
• Шумовой коэффициент — показатель того, сколько собственных шумов вносит усилитель в обрабатываемый сигнал. Особенно важен для входных каскадов приёмников.
• Устойчивость, способность усилителя не генерировать собственные колебания при различных режимах работы и нагрузках.
• Линейность — способность усилителя не вносить нелинейные искажения (гармонические и интермодуляционные) в усиливаемый сигнал.

Схемы включения транзистора в ВЧ-усилителях

Биполярный транзистор может быть включен по трём основным схемам. Каждая из них имеет свои преимущества и недостатки при работе на высоких частотах.

Схема с общим эмиттером (ОЭ)

Это наиболее распространённая схема для усилительных каскадов. Она обеспечивает высокий коэффициент усиления по току и напряжению, а также умеренное входное и выходное сопротивление.

Однако на ВЧ схема ОЭ имеет существенный недостаток: обратная ёмкость коллектор-база (Соб) создаёт обратную связь по переменному току, что может привести к самовозбуждению и сужению полосы пропускания (эффект Миллера). Поэтому в чистом виде схема ОЭ редко используется на очень высоких частотах без дополнительных мер нейтрализации.

Схема с общей базой (ОБ)

В схеме с общей базой база транзистора заземлена для переменного сигнала (через конденсатор). Основные преимущества:

• отсутствие эффекта Миллера, так как обратная ёмкость коллектор-база не усиливается;
• широко полоса пропускания;
• высокая устойчивость.

Недостатком является низкое входное сопротивление, что может усложнить согласование с предыдущим каскадом или антенной. Коэффициент усиления по току в схеме ОБ меньше единицы, но коэффициент усиления по напряжению может быть значительным.

Схема с общим коллектором (ОК, эмиттерный повторитель)

Эта схема имеет коэффициент усиления по напряжению, близкий к единице, но высокий коэффициент усиления по току. Основное применение — согласование каскадов по сопротивлениям, буферизация и понижение выходного сопротивления усилителя.

Каскадное соединение и способы связи между каскадами

Для построения многокаскадного усилителя необходимо соединить выход одного каскада со входом следующего. Выбор способа связи влияет на полосу пропускания, коэффициент усиления и согласование.

RC-связь

Самый простой способ: через конденсатор и резистор нагрузки. Конденсатор блокирует постоянный ток, пропуская переменную составляющую. RC-связь дешёва и проста, но на ВЧ её полоса ограничивается паразитными ёмкостями и сопротивлениями.

Трансформаторная связь

Используется для согласования сопротивлений и гальванической развязки каскадов. Трансформатор может выполнять роль нагрузки и фильтра. На высоких частотах применяются широкополосные трансформаторы с ферритовыми сердечниками.

Контурная (резонансная) связь

Наиболее характерная для ВЧ-усилителей. Между каскадами устанавливаются колебательные контуры (LC-фильтры), настроенные на рабочую частоту. Это позволяет:

• сузить полосу пропускания до требуемой;
• отсечь нежелательные гармоники и помехи;
• повысить коэффициент усиления на резонансной частоте за счёт добротности контура.

Контурные каскады широко применяются в супергетеродинных приёмниках, усилителях промежуточной частоты (УПЧ) и радиочастотных трактах передатчиков.

Устойчивость и нейтрализация каскадов ВЧ

Одной из главных проблем при усилении высокочастотных сигналов является возникновение нежелательных обратных связей. Они могут быть вызваны:

• внутренними ёмкостями транзистора;
• общими цепями питания;
• электромагнитной связью между входами и выходами.

Если обратная связь положительная и достаточно сильная, усилитель переходит в режим генератора (самовозбуждение). Для борьбы с этим применяются:

• нейтрализация — введение компенсирующей цепи, вносящей противодействующую обратную связь;
• негативная обратная связь (ООС) — ослаблениеgain за счёт вычитания части выходного сигнала от входного, что улучшает линейность и расширяет полосу;
• экранирование и правильное разводка печатной платы;
• использование транзисторов с низкой обратной ёмкостью или схем с общей базой.

Устойчивость часто оценивается по коэффициенту устойчивости (например, коэффициенту Стюарта или коэффициенту Линвилла), который должен быть больше единицы при всех рабочих частотах.

Шумовые свойства каскадных усилителей

В приёмных устройствах критически важным является шум первого каскада. Согласно формуле Фриса, общий шумовой коэффициент многокаскадного усилителя определяется преимущественно первым усилительным звеном:

F_общ = F₁ + (F₂ − 1)/G₁ + (F₃ − 1)/(G₁·G₂) + …

Где F, шумовой коэффициент каскада, G — коэффициент усиления предыдущих каскадов.

Из формулы видно, что:

• первый каскад должен иметь минимальный шумовой коэффициент и достаточный коэффициент усиления;
• шум последующих каскадов имеет меньшее влияние, если первый каскад достаточно усиливает сигнал.

Поэтому в ВЧ-трактах приёмников первым устанавливают малошумящий усилитель (ЛШУ), часто выполненный по схеме с общей базой или специальным ВЧ-транзистором.

Пример расчета двухкаскадного усилителя ВЧ

Рассмотрим упрощённый пример двухкаскадного усилителя на биполярных транзисторах для диапазона 100–150 МГц.

1. Первый каскад (входной): транзистор по схеме с общей базой для обеспечения широкой полосы и низкого шума. Нагрузка — настроенный контур на центральную частоту 125 МГц.
2. Связь: конденсаторная или через слабосвязанную обмотку трансформатора.
3. Второй каскад (промежуточный): транзистор по схеме с общим эмиттером с дополнительной нейтрализацией для повышения коэффициента усиления.
4. Общий коэффициент усиления: если первый каскад даёт 10 дБ, а второй — 20 дБ, общий коэффициент составит 30 дБ (при условии согласования).

При расчёте необходимо проверить устойчивость по коэффициенту Линвилла, подобрать режимы смещения (ток коллектора, напряжение между коллектором и эмиттером) и оценить шумовой коэффициент всей цепи.

Теория каскадных усилителей ВЧ сигнала объединяет знания из области схемотехники, теории цепей и электроники полупроводниковых приборов. Правильный выбор схемы включения транзистора, способа связи между каскадами, методов обеспечения устойчивости и минимизации шумов позволяет создавать эффективные усилительные устройства для самых различных радиотехнических систем.

Понимание этих основ необходимо как инженерам-разработчикам, так и радиолюбителям, занимающимся самостоятельной сборкой и настройкой ВЧ-усилительных трактов.