Усилители Stacked Cascode - схемотехника и расчет
Posted: 16 Sep 2013, 01:07
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
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.
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.
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
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
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.
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.
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