Разработка радиочастотных систем на операционных усилителях

Для проектирования ВЧ-систем лучше всего использовать усилители с токовой обратной связью. В качестве примера был выбран усилитель THS3202 с частотой 2 ГГц и низким уровнем искажений, поскольку он имеет широкую полосу пропускания и высокую скорость нарастания выходного напряжения. Например, для схемы на рис. 10 коэффициент усиления равен 20, а коэффициент усиления всего каскада — 10 (везде, где специально не оговорено, речь пойдет о коэффициенте усиления по напряжению).

Рисунок 10

Кривая АФЧХ, характерная для такой схемы, показана на рис 11.

Рисунок 11

Усиление по напряжению самого ОУ равно 20, но оно уменьшается вдвое в результате действия обратного согласующего резистора в сочетании с нагрузкой. Точка –3 дБ (по напряжению) ВЧ-усилителя составляет приблизительно 390 МГц. Если требуется равномерное усиление в частотном диапазоне, то данная схема применима только до частоты приблизительно 200 МГц. КСВН входа и выхода меньше 1, 01 для большей части полосы пропускания, вблизи частоты 200 МГц повышается приблизительно до 1, 1. Для большей части полосы пропускания коэффициент обратной пере-дачи S12 составляет –75 дБ, понижаясь до –50 дБ лишь вблизи границы полосы пропускания. Чтобы получить большее усиление, надо соединить каскадно несколько ОУ THS3202. К счастью для разработчиков, THS3202 представляет собой сдвоенное устройство и позволяет легко реализовать двухкаскадный ВЧ-усилитель при незначительных дополнительных усилиях. На рис. 12 показан каскадный ВЧ-усилитель, дающий усиление 100 по напряжению (40 дБ по напряжению, 20 дБ по мощности).

Рисунок 12

Схема включает в себя два идентич-ных усилительных каскада. Изоляция реализована за счет применения меж-каскадных согласующих резисторов. Межкаскадный конденсатор емкостью 39 пФ обеспечивает коррекцию некоторого спада АЧХ на высоких частотах, однако, чтобы получить лучшие показатели по точке перехвата составляющих третьего порядка, стоит убрать этот конденсатор и смириться со спадом АЧХ. Общая частотная характеристика усилителя приведена на рис. 13.

Рисунок 13

Имеет место значительная ВЧ-коррекция выше 100 МГц. Усилитель с таким коэффициентом усиления должен быть экранирован. Также рекомендуется добавить НЧ-фильтр для подавления выбросов.

Схему усиления на рис. 12 легко подключить каскадно к керамическим и ПАВ-фильтрам (фильтрам на поверхностных акустических волнах) усилителей ПЧ с высокими рабочими характеристиками. Фильтры надо ставить после усилителей, чтобы шум самих усилителей также был отфильтрован вместе с нежелательной полосой частот. Вносимые фильтром потери могут отличаться от компонента к компоненту или от партии к партии компонентов. Если требуется получить точное значение коэффициента усиления каскада, следует включить подстроечный резистор в один или оба каскада.

10, 7-МГц усилитель ПЧ. 10, 7-МГц усилители промежуточной частоты находят широкое применение в приемниках FM-радио. Полосовые фильтры представляют собой недоро-гие керамические устройства, которые выпускаются на самые разные полосы пропускания и параметры вносимых потерь. Схема на рис. 14 построена путем добавления полосового фильтра с шириной полосы 230 кГц в схему на рис. 3. Это керамический фильтр SFELA10M7GA00-B0 производства компании Murata. Амплитудно-частотная характеристика схемы показана на рис. 15.

Рисунок 14. Схема полосового фильтра с шириной полосы 230 кГц

Рисунок 15

Небольшая неравномерность в полосе пропускания связана с характеристикой керамического фильтра. Потери фильтра составляют приблизительно 4 дБ. Данная АЧХ была скорректирована с учетом разницы полных сопротивлений схемы и измерительного оборудования. 70-МГц усилитель ПЧ 70-МГц усилители промежуточной частоты находят применение в базовых станциях сотовой связи и в приемниках систем спутниковой связи. В схеме на рис. 16 к усилительному каскаду, показанному на рис. 12, добавлен фильтр 854660.

Рисунок 16

АЧХ получившейся схемы приведена на рис. 17

Рисунок 17

Форма амплитудно-частотной характеристики на рис. 17 практически совпадает с формой кривой фильтра, предоставленной изготовителем. Другими словами, усилитель обеспечивает усиление, не внося нежелательных гармоник. Потери ПАВ-фильтра около 7 дБ.

140-МГц усилитель ПЧ. При добавлении к схеме на рис. 12 фильтра 854916 получается АЧХ, показанная на рис. 18.

Рисунок 18

Как и в случае 70-МГц фильтра ПЧ, кривая АЧХ на рис. 18 практически совпадает с кривой самого фильтра, предоставленной изготовителем. И здесь усилитель обеспечивает усиление, не внося нежелательных гармоник. Наибольшие потери ПАВ-фильтра составляют всего 8 дБ, но на этой частоте начинается спад частотной характеристики самого усилителя, что объясняет остальные потери. Внимательное изучение полосы пропускания показывает небольшой спад частотной характеристики усилительного каскада.