КТ315 остаётся одним из самых массовых отечественных транзисторов, он работает в усилителях, приёмниках, генераторах и в бесконечном потоке ремонтной практики. Сам каскад на нём собирается за полчаса, а вот плату под него многие рисуют наобум, полагаясь на ровные дорожки, красивые углы и сплошные полигоны. Результат предсказуем: на бумаге усиление есть, а на частоте 30 МГц каскад молчит или еле дышит. Деталь тут обычно ни при чём, транзистор исправен. Виновата медь вокруг него, которая незаметно подключает к схеме невидимые конденсаторы по несколько пикофарад каждый. Ниже показано, где именно прячутся эти конденсаторы, как посчитать их на салфетке и как развести плату, чтобы высокочастотный каскад на КТ315 выдал цифры из справочника, а не только на столе из двух перемычек.
Паспортные цифры КТ315, от которых отталкивается вся компоновка
КТ315 это кремниевый биполярный транзистор структуры n-p-n в миниатюрном пластмассовом корпусе КТ-13 с гибкими выводами, освоенный в производстве в конце 1960-х годов и выпущенный миллионными тиражами. Справочник даёт точные цифры. Предельное напряжение коллектор-эмиттер от 15 до 60 вольт в зависимости от буквенного индекса, максимальный постоянный ток коллектора 100 мА, рассеиваемая мощность без радиатора 150 мВт, рабочая температура до плюс 100 градусов, коэффициент передачи тока лежит в пределах от 20 до 350. Для высокочастотной практики главные две строки другие. Граничная частота не менее 250 МГц означает, что на ней усиление падает до единицы, и уже на десятках мегагерц запас приходится беречь. Ёмкость коллекторного перехода составляет 7 пФ при напряжении 10 вольт, и эти пикофарады встроены в кристалл и корпус, их не выпаяешь и не перережешь. Есть и верхняя планка по усилению: на рабочей частоте максимальное усиление примерно равно отношению граничной частоты к рабочей, значит на 30 МГц при идеальном монтаже не получить больше 8 раз, а на 10 МГц не больше 25. Вся борьба за высокочастотный каскад сводится к тому, чтобы не добавить к собственным 7 пФ хотя бы ещё два-три пикофарада с платы. Буквенные индексы дают и разнобой по частоте, поэтому для ответственного усилителя партию транзисторов проверяют до установки на плату, а разброс коэффициента передачи от 20 до 350 внутри одной группы о себе напоминает постоянно: два внешне одинаковых корпуса дают разные усиления, и компоновка должна держать работоспособность при любом экземпляре из партии. Комплементарный p-n-p собрат КТ361 живёт в тех же условиях. Опытные радиолюбители знают: схема каскада занимает полсантиметра, а влияние разведённой вокруг меди тянется на сантиметры, поэтому компоновку начинают не с шин питания и не с красивых углов, а с ответа на вопрос, какие узлы высокоомные и какие первыми пострадают от лишней ёмкости.
Два пикофарада между дорожками превращаются в шестьдесят два на входе каскада
Эффект Миллера работает тихо и без расписания. Входная ёмкость каскада с общим эмиттером равна ёмкости между базой и коллектором, умноженной на коэффициент усиления с единицей. Паспортные 7 пФ и усиление 30 дают 7 × 31, то есть 217 пФ. Такой конденсатор висит на входе каскада, и обычный мультиметр его в работающей схеме не покажет. Дальше самое неочевидное. Если дорожка базы прошла рядом с дорожкой коллектора хотя бы два сантиметра, между ними набегает порядка 2 пФ связи, и транзистор умножает их: 2 × 31 даёт ещё 62 пФ на входе. На частоте 10 МГц эти 62 пФ имеют сопротивление около 257 ом, а 217 пФ шунтируют вход до 73 ом. Генератор с выходным сопротивлением 1 кОм вместе с суммарной ёмкостью 279 пФ образует фильтр с частотой среза около 570 кГц. Схема на бумаге обещала работу до 10 МГц, а на плате ослабевает в десять с лишним раз раньше. На частоте 30 МГц картина жёстче: те же 62 пФ шунтируют вход уже до 86 ом, и источник с выходом 500 ом видит почти короткое замыкание по высокой частоте. Зависимость тянет и в другую сторону. При усилении 10 Миллер даёт 7 × 11, то есть 77 пФ, при усилении 50 уже 7 × 51, или 357 пФ, поэтому каскады с большим коэффициентом передачи первыми теряют верхние частоты, и усиление одного каскада разумно держать в пределах 15-20, добирая остаток вторым. Многие замечали такую разницу на собственном опыте: макетка с проводами усиливает, аккуратная плата молчит, и происходит это из-за суммы пикофарад, которую медь добавила к узлу базы. Отсюда и лёгкая ирония над красивыми платами: симметричный рисунок с параллельными шинами хорош для тихоходных схем, а высокочастотный каскад платит за красоту верхними частотами. Главное правило компоновки из этого следует прямо: база и коллектор должны жить в разных сторонах платы, и никакая симметрия рисунка не окупает их параллельного участка.
Сколько пикофарад добавляет медь платы при разных зазорах и ширине дорожек
Ёмкость плоского конденсатора считается по школьной формуле, и дорожка над полигоном это в точности такой конденсатор: площадь перекрытия делить на расстояние и помножить на диэлектрическую проницаемость материала. Стеклотекстолит FR4 имеет проницаемость около 4,5. В удобных единицах получается набор простых коэффициентов. При зазоре до полигона 1,5 мм, что соответствует типовой двусторонней плате, каждый квадратный миллиметр меди добавляет 0,027 пФ. При зазоре 0,5 мм коэффициент растёт до 0,08 пФ. Во внутренних слоях многослойной платы, где препрег даёт 0,2 мм, коэффициент доходит до 0,2 пФ на квадратный миллиметр. Дорожка длиной 10 мм и шириной 1 мм в этих трёх случаях добавит 0,27 пФ, 0,8 пФ и 2 пФ. Линия на 50 ом в том же материале несёт около 0,14 пФ на каждый миллиметр длины, это следствие волнового сопротивления и скорости распространения примерно 14 см за наносекунду. Между двумя параллельными дорожками с зазором 0,5 мм связь составляет десятые доли пикофарада на сантиметр и падает в разы при зазоре в три ширины дорожки. Переходные отверстия добавляют своё: каждое несёт порядка 0,3-0,5 пФ ёмкости на полигон и около 1 нГн индуктивности, поэтому пара лишних переходов на пути сигнала стоит ещё одного пикофарада. Паяные площадки тоже считают: площадка диаметром 1,5 мм над полигоном через 0,5 мм добавляет около 0,15 пФ, и десяток площадок на пути сигнала собирает ещё полтора пикофарада. Ширина дорожки на выбор почти не влияет по ёмкости, зато влияет по индуктивности, поэтому коллекторную цепь, где узел низкоомный, ведут широкими полосами 1,5-2 мм, а базовую узкой струйкой 0,3-0,5 мм. Критерий длинной линии тут ни при чём: на частоте 100 МГц волна тянется на 3 м, и десятисантиметровые дорожки остаются сосредоточенными элементами. Борьба идёт не с волнами, а с сопротивлениями: 1 пФ на 100 МГц это уже 1,6 кОм, на 250 МГц всего 640 ом, и эти цифры приходится держать в голове при каждом повороте дорожки.
Резонансный контур уходит с частоты от лишних пикофарад в разметке
Колебательный контур прощает ошибки компоновки хуже всего. Типовой каскад настроен на 30 МГц, контур собран на ёмкости 33 пФ, значит индуктивность катушки равна 0,85 мкГн, это следует из формулы Томсона. Если к контуру добавить 5 пФ, которые набежали с площадки под катушкой и длинной дорожки к базе, полная ёмкость станет 38 пФ, и настройка уезжает на 27,9 МГц. Уход в 2 МГц выглядит скромно, пока не вспомнить про добротность. При добротности 30 полоса контура равна 1 МГц, и пик настройки отъехал на две полосы в сторону. Усилитель честно усиливает 28 МГц, а нужный сигнал проходит по краю склона с потерей. Резонансная частота меняется как корень из отношения ёмкостей, поэтому удвоение ёмкости сдвигает настройку на 29 процентов вниз, не вдвое, и прирост в несколько пикофарад всегда стоит вычислить заранее. Подстроечный конденсатор на 5-25 пФ вместо фиксированного решает задачу с запасом: средняя настройка приходится на середину хода, и плата настраивается без замены деталей, но у подстроечника с большим ходом есть и большая начальная ёмкость, так что запас по подстройке покупается той же валютой, пикофарадами. Отсюда практический вывод: под контуром не оставляют сплошных полигонов, катушку ставят так, чтобы под витками не было меди, а дорожку от контура к базе делают короткой и отведённой от соседних цепей. Серийный разброс ёмкостей добавляет свою долю: без запаса на подстройку каждая плата потребует индивидуального подбора.
Узел базы, где каждый миллиметр дорожки стоит усиления
Узел базы самый высокоомный во всём каскаде, и он первым собирает паразитные пикофарады со всей платы. Сопротивление источника сигнала здесь максимальное, входной ток маленький, и каждая лишняя ёмкость образует с этим сопротивлением фильтр нижних частот. Практика разводки высокочастотных каскадов на КТ315 сходится к нескольким приёмам, которые обычно возвращают каскаду паспортные цифры:
1. Транзистор ставят так, чтобы вывод базы и вывод коллектора смотрели в противоположные стороны, и дорожки от них не шли параллельно даже коротким участком;
2. Дорожку базы укорачивают до возможного предела и делают узкой, помня, что каждый квадратный миллиметр меди над полигоном добавляет свою долю пикофарад;
3. Под узлом базы полигоны разрывают, оставляя чистую зону без меди шириной хотя бы 3-4 мм;
4. Зазор между сигнальными дорожками держат не меньше трёх ширин дорожки, а к базе лучше подводить одну единственную цепь;
5. Выводы корпуса КТ-13 укорачивают до 2-3 мм, потому что каждый лишний миллиметр вывода это и индуктивность, и антенна для связи с соседними цепями;
6. Блокировочный конденсатор по цепи питания ставят вплотную к коллекторному резистору, чтобы путь переменной составляющей до земли оставался коротким;
7. Шину земли ведут сплошным слоем под коллекторной цепью и эмиттером, но не под базой, где она только добавит ёмкость.
После такой разводки ёмкость узла базы обычно падает с десятков пикофарад до единиц, и разница видна на экране осциллографа сразу. Между дорожками базы и коллектора иногда закладывают экранирующую полоску с заземлением, она режет связь в разы, хотя приносит лишний пикофарад у самой базы, поэтому её либо вырезают под узлом, либо не применяют вовсе. Разводить проще, чем кажется: корпус маленький, и вокруг него всегда хватает места, чтобы разнести стороны.
Коллекторная цепь, эмиттер и выводы, которые добавляют индуктивность
Ёмкость не единственный паразит, индуктивность выводов на высоких частотах портит каскад не меньше. Вывод эмиттера длиной 10 мм несёт порядка 7-10 нГн, и на частоте 100 МГц это реактивное сопротивление 4,4-6,3 ом. Динамическое сопротивление эмиттера считается как 26 мВ делить на ток в миллиамперах, при токе 5 мА оно равно 5,2 ом. Реактивность вывода получается сопоставимой с рабочим сопротивлением перехода, и каскад начинает душить сам себя глубокой местной обратной связью. Усиление на верхней границе диапазона проседает, хотя транзистор полностью исправен. Коллекторный вывод вместе с ёмкостью перехода образует последовательный контур: при суммарной индуктивности 20 нГн и ёмкости 7 пФ собственный резонанс корпуса приходится на 425 МГц. Это близко к граничной частоте КТ315, поэтому каждый укороченный миллиметр выводов покупает запас. Эмиттер для этого ставят в самой низкой точке схемы, а дорожку от него к земле ведут широкой, чтобы индуктивность пути не поднималась. Коллекторная цепь живёт по другим правилам, чем база: она низкоомная, ток через неё идёт большой, и сплошной полигон земли под коллекторной дорожкой здесь друг, он сокращает контур тока и уменьшает излучение. Индуктивность петли питания считается грубо: сантиметр пути даёт порядка 1 нГн, петля 3 на 2 см тянет на 20-30 нГн, и на частоте 100 МГц это уже 13-19 ом. Блокировочный конденсатор, поставленный прямо у коллекторного резистора, сжимает петлю в разы и снимает проблему. Правило простое: у базы медь убирают, у коллектора медь добавляют, и оба решения служат одной цели.
Проверка собранной платы генератором и осциллографом без лабораторного анализатора
Расчёты дают ориентир, а истину показывает измерение. Ёмкость узла платы меряют резонансным методом, и для него хватает генератора с осциллографом. К точке, куда встанет база, подключают катушку с известной индуктивностью, например 100 мкГн, и ищут резонанс по провалу сигнала. До улучшения разводки контур из катушки и паразитной ёмкости узла резонирует на 5,0 МГц, из формулы следует ёмкость 10 пФ. После сокращения дорожек и разрыва полигона резонанс поднимается до 7,1 МГц, что соответствует 5 пФ. Ёмкость узла упала вдвое, и никакого специального прибора для этого не понадобилось. Со щупом аккуратнее: обычный пассивный щуп с делителем 1 к 10 добавляет к узлу свои 10-15 пФ и сам портит картину, поэтому точку смотрят через резистор или учитывают его ёмкость в расчёте. Для полноты картины проверяют и связь между цепями: генератор подключают к дорожке коллектора, осциллограф держат у дорожки базы, и если наводка видна даже при выключенном питании, между ними ставят заземлённую полоску или разводят цепи дальше. Итоговую проверку ведут по сигналу: генератор подают на вход через аттенюатор, осциллограф подключают в коллекторе, и усиление сравнивают на разных частотах диапазона. Удобен и метод двух частот: усиление снимают на нижней границе, где разводка не мешает, и на верхней, где мешает, и разница показывает, сколько децибел съела медь. Если разница превышает 3-4 дБ, дорабатывают разводку, а не меняют транзистор. Плавное проседание выдаёт ёмкость, падение рывками и колебания выдают индуктивность и связь через питание. Макетка в этих измерениях не помощник: провода длиной по 10 см добавляют десятки пикофарад, и картина на ней не имеет отношения к плате. Опыт подсказывает порядок работы: сначала расчёт на салфетке, затем разводка с правилами, затем резонансная проверка узла, и только после этого пайка транзистора и прогон по частоте. Каскад на КТ315, разведённый с уважением к пикофарадам, выдаёт паспортное усиление там, где его вроде бы быть не должно, и это самая приятная награда за аккуратную медь.