Проходная ёмкость драйвера разворачивает обратную связь и усилитель уходит в генерацию

Самовозбуждение усилителя мощности это головная боль с длинной историей. Оконечный каскад проверен, нейтрализация выставлена, по паспорту всё чисто, а конструкция то и дело срывается в генерацию. Свист на каком-то участке диапазона, дёргающийся ток покоя, посторонние составляющие в спектре. Первым делом подозревают выходной транзистор и систему его нейтрализации, но причина нередко прячется на шаг раньше, в скромном предоконечном каскаде, который просто раскачивает оконечный.

Дело в том, что у предоконечного каскада есть собственная проходная ёмкость между выходом и входом, и эта ёмкость через эффект Миллера превращается в путь обратной связи. При определённых условиях фаза этой связи оказывается такой, что отрицательная обратная связь оборачивается положительной, и каскад, формально не имеющий ни одного генераторного контура, начинает генерировать сам. Разберём, как проходная ёмкость множится усилением, почему именно драйвер часто оказывается источником, и как эту неустойчивость опознать и подавить.

Как маленькая проходная ёмкость превращается в большую входную

В любом усилительном приборе есть ёмкость между выходным и входным электродами. У полевого транзистора это ёмкость затвор сток, у биполярного ёмкость коллектор база, у лампы ёмкость анод сетка. Величина её невелика, единицы и доли пикофарада. Но в каскаде с инверсией фазы эта ёмкость ведёт себя так, словно она во много раз больше. В этом и состоит эффект Миллера.

Механизм такой. В усилителе с общим истоком или общим эмиттером выходное напряжение противофазно входному и больше его по модулю в число раз, равное усилению каскада. Проходная ёмкость подключена между этими двумя точками, и напряжение на ней равно сумме входного и инвертированного усиленного выходного. Со стороны входа это выглядит так, будто к входу подключена ёмкость, увеличенная в число раз, равное единице плюс модуль усиления. Формула проста:

C_M = (1 - A_v) * C_прох

где A_v это усиление каскада со своим знаком, а C_прох проходная ёмкость. Для инвертирующего каскада усиление отрицательно, и множитель получается больше единицы. При усилении каскада, скажем, двадцать раз проходная ёмкость в один пикофарад превращается во входную ёмкость около двадцати одного пикофарада. Маленькая физическая ёмкость стала большой эффективной, и именно она сужает полосу и портит характеристики.

Пока обратная связь через эту ёмкость отрицательна, она просто снижает усиление и полосу, что само по себе неприятно, но устойчивость не нарушает. В многокаскадной цепочке накопленный эффект Миллера способен срезать общую полосу: у трёхкаскадного усилителя суммарная полоса может упасть примерно до трети полосы одиночного каскада. Это уже повод задуматься, но до генерации тут ещё шаг.

Почему отрицательная обратная связь оборачивается положительной

Вот ключевой момент, объясняющий самовозбуждение. Утверждение, что выход противофазен входу, верно только на низких частотах и только если выходное напряжение отсчитывать от той же земли, что и входное. В реальном каскаде на высоких частотах появляются дополнительные фазовые сдвиги от реактивностей нагрузки, от индуктивностей выводов, от паразитных контуров. Когда суммарный набег фазы в петле приближается к ста восьмидесяти градусам, инверсия каскада складывается с этим сдвигом, и обратная связь через проходную ёмкость из отрицательной становится положительной.

Есть и более тонкая трактовка через точку отсчёта. Если отсчитывать выходной сигнал не от земли по переменному току, а от шины питания, то выход и вход оказываются синфазными. Именно это синфазное напряжение видит проходная ёмкость в определённых условиях, и обратная связь через неё становится положительной. Так работают так называемые миллеровские генераторы вроде схемы с настроенным анодом и настроенной сеткой, у которых нет видимой связи между выходом и входом, а генерация всё равно идёт через проходную ёмкость. Положительная обратная связь через ёмкость раскачивает колебание.

Когда положительная обратная связь набирает петлевое усиление больше единицы при фазе, кратной полному обороту, выполняются условия самовозбуждения, и каскад генерирует. Для этого не нужен специальный контур, достаточно паразитных реактивностей монтажа, которые задают частоту, на которой фаза дойдёт до нужного значения. Усилитель, спроектированный как усилитель, превращается в генератор поневоле.

Почему источником часто оказывается именно предоконечный каскад

Логично спросить, почему подозрение падает на драйвер, а не на оконечный каскад, который работает с большими уровнями. Причин несколько, и они складываются.

Во-первых, предоконечный каскад обычно имеет высокое усиление по напряжению, гораздо большее, чем мощный оконечный. А эффект Миллера тем сильнее, чем выше усиление, ведь множитель прямо пропорционален усилению. Поэтому даже малая проходная ёмкость драйвера даёт значительную эффективную обратную связь. Во-вторых, оконечные каскады принято нейтрализовать, за их устойчивостью следят, а драйвер часто оставляют без нейтрализации, считая его неопасным. В-третьих, выход драйвера нагружен на вход оконечного каскада, чья входная ёмкость велика и зависит от режима, что создаёт сложную частотно-зависимую нагрузку и лишние фазовые сдвиги именно там, где живёт проходная ёмкость драйвера.

Перечислим обстоятельства, которые делают предоконечный каскад вероятным источником самовозбуждения, чтобы при поиске причины смотреть на него прицельно:

1. высокое усиление по напряжению, прямо умножающее проходную ёмкость по Миллеру;
2. частое отсутствие нейтрализации, поскольку драйвер считают безобидным;
3. сложная реактивная нагрузка в виде входной ёмкости оконечного каскада;
4. длинные цепи смещения и развязки, добавляющие паразитные индуктивности и фазовые сдвиги;
5. совпадение паразитных резонансов монтажа с областью, где петлевая фаза подходит к опасной.

Коварство в том, что генерация драйвера может проявляться как нестабильность всего усилителя, и её ошибочно лечат, добавляя нейтрализацию оконечному каскаду, который ни при чём. Пока истинный источник в драйвере не найден, борьба идёт вхолостую.

Числовая прикидка усиления проходной ёмкости

Переведём в цифры. Пусть предоконечный каскад имеет усиление по напряжению тридцать раз и проходную ёмкость затвор сток полтора пикофарада. По формуле Миллера эффективная входная ёмкость от проходной составит

C_M = (1 + |A_v|) C_прох = (1 + 30) 1.5 = 46.5 пикофарад

К ним добавится собственная входная ёмкость затвор исток, скажем, ещё около пяти пикофарад, и суммарная входная ёмкость каскада окажется в районе пятидесяти пикофарад вместо ожидаемых единиц. Уже отсюда видна цена усиления: тот же транзистор при усилении не тридцать, а десять дал бы по формуле всего (1 + 10) * 1.5 = 16.5 пикофарад, втрое меньшую миллеровскую добавку. Зависимость прямая, и потому именно высокоусиленный драйвер опаснее.

Прикинем, на какой частоте это становится критичным. Источник, питающий каскад, имеет выходное сопротивление, пусть триста ом. Вместе с входной ёмкостью оно образует полюс на частоте

f_п = 1 / (2 pi R_ист C_вх) = 1 / (6.28 300 * 50e-12)

что даёт около 10.6 мегагерца. Выше этой частоты усиление падает, и каждый такой полюс добавляет к сигналу в петле набег фазы, стремящийся к девяноста градусам. Инверсия самого каскада это уже сто восемьдесят градусов. Если в петле через проходную ёмкость набирается ещё один сопоставимый полюс от выходной цепи и нагрузки, его дополнительные градусы доводят суммарный сдвиг до условия положительной обратной связи. Грубое условие самовозбуждения записывается как равенство петлевого усиления единице при фазе, кратной полному обороту:

|K_петл| >= 1 при сумме фаз = 360 градусов (или 0)

Поскольку транзистор сохраняет усиление вплоть до граничной частоты, а паразитные индуктивности выводов и ёмкости монтажа всегда найдут частоту, где фаза дойдёт до нужной, условие нередко выполняется где-то выше рабочего диапазона. Прикинем эту частоту через паразитный контур: индуктивность вывода затвора порядка двадцати наногенри с входной ёмкостью пятьдесят пикофарад даёт последовательный резонанс на

f_р = 1 / (2 pi sqrt(L C)) = 1 / (6.28 sqrt(20e-9 * 50e-12))

около 159 мегагерц. Именно в окрестности подобных паразитных резонансов, далеко за пределами коротковолновой рабочей полосы, чаще всего и заводится генерация драйвера.

Важно, что частота самовозбуждения часто не совпадает с рабочей частотой усилителя и оказывается заметно выше. Поэтому её не видно на штатном измерении в полосе, и обнаруживается она лишь по косвенным признакам или прибором с достаточно широкой полосой обзора. Транзистор способен усиливать вплоть до своей граничной частоты, и где-то на этом протяжении паразитная петля и находит условия для генерации.

Важно, что частота самовозбуждения часто не совпадает с рабочей частотой усилителя и оказывается заметно выше. Поэтому её не видно на штатном измерении в полосе, и обнаруживается она лишь по косвенным признакам или прибором с достаточно широкой полосой обзора. Транзистор способен усиливать вплоть до своей граничной частоты, и где-то на этом протяжении паразитная петля и находит условия для генерации.

Как опознать и подавить миллеровское самовозбуждение драйвера

Опознание начинается с наблюдения. Дёрганье тока покоя без сигнала, посторонние составляющие в спектре, уход параметров при прогреве, чувствительность к прикосновению к монтажу драйвера это типичные приметы. Прибор с широкой полосой обзора покажет паразитную несущую далеко за пределами рабочего диапазона. Полезен и тест на локализацию: если временно снизить усиление драйвера, например уменьшив его нагрузку или режим, и генерация пропадает, источник найден.

Самый прямой способ борьбы это нейтрализация. В каскад вводят дополнительную ёмкость, через которую на вход подаётся противофазный сигнал с выхода, равный по току тому, что течёт через проходную ёмкость. Два встречных тока компенсируют друг друга, и эффект Миллера обнуляется. Именно так стабилизировали ламповые ВЧ усилители ещё в эпоху первых радиоприёмников, подавая через нейтрализующий конденсатор сигнал, гасящий обратную связь через проходную ёмкость. В балансных и двухтактных схемах нейтрализацию делают перекрёстной, подавая компенсацию с противоположного по фазе плеча.

Второй путь это снижение усиления по напряжению там, где оно избыточно, ведь эффект Миллера прямо пропорционален усилению. Классическое решение это каскод, когда поверх усилительного прибора ставится второй с заземлённым по высокой частоте управляющим электродом. Нагрузка, которую видит первый прибор, резко падает, его усиление по напряжению сводится почти к единице, и проходная ёмкость перестаёт множиться. Эффект Миллера фактически устраняется, поскольку выходной узел первого прибора больше не качается с большой амплитудой. Этот приём работает вплоть до граничной частоты усиления.

Третий путь это работа с фазой и добротностью паразитной петли. Небольшие антипаразитные резисторы в цепи затвора или базы, ферритовые бусины на выводах, укорочение цепей смещения снижают добротность паразитных контуров и не дают петлевой фазе набрать критическое значение при усилении больше единицы. По сути это не устранение обратной связи, а лишение её возможности стать генераторной. Часто именно мелкий антипаразитный резистор в несколько десятков ом, поставленный в нужную точку драйвера, снимает упорную генерацию, которую не брали никакие переделки оконечного каскада.

Почему современные приборы смягчили проблему, но не сняли её

Старые мощные приборы имели солидную проходную ёмкость, и борьба с эффектом Миллера была обязательной частью любой конструкции. Развитие технологии заметно уменьшило паразитные ёмкости. У транзисторов на основе кремний германия ёмкость коллектор база на порядок ниже, чем у обычных биполярных, а у приборов на нитриде галлия с их двумерным электронным газом проходная ёмкость сжимается до фемтофарадного масштаба. Казалось бы, с такими ёмкостями про Миллера можно забыть.

На деле проблема не исчезла, а сместилась. Современные приборы способны усиливать на гораздо более высоких частотах, и хотя сама проходная ёмкость мала, усиление, на которое она множится, сохраняется большим вплоть до десятков и сотен мегагерц и выше. Произведение малой ёмкости на большое усиление снова даёт ощутимую обратную связь, только теперь на частотах, далеко уходящих за рабочий диапазон коротковолнового усилителя. Паразитная генерация переселилась в область метровых и дециметровых волн, где её ещё труднее заметить штатными приборами.

Вдобавок высокая граничная частота означает, что фазовые условия генерации выполняются в более широком диапазоне частот, и паразитный резонанс монтажа почти всегда найдёт себе место, где петлевая фаза подойдёт к критической при усилении больше единицы. Поэтому антипаразитные элементы и аккуратный монтаж с короткими цепями остаются обязательными и для современных приборов, несмотря на их крошечные собственные ёмкости. Технология сдвинула опасную зону вверх по частоте, но не отменила сам механизм.

Что из этого следует держать в голове

Эффект Миллера превращает крохотную проходную ёмкость усилительного прибора в значительную обратную связь, помноженную на усиление каскада. Пока фаза этой связи остаётся отрицательной, она лишь сужает полосу, но на высоких частотах паразитные сдвиги способны развернуть её в положительную, и каскад без единого видимого контура уходит в генерацию. Предоконечный каскад с его высоким усилением и часто отсутствующей нейтрализацией оказывается вероятным виновником чаще, чем тщательно вылизанный оконечный.

Понимание этого направляет поиск неисправности туда, где он результативен. Прежде чем в десятый раз перенастраивать нейтрализацию оконечного каскада, стоит проверить драйвер на широкой полосе, оценить его эффективную входную ёмкость и при необходимости применить нейтрализацию, каскод или антипаразитные элементы. Устойчивый усилитель узнаётся не по чистому спектру в рабочей полосе на малом сигнале, а по тому, что он молчит на всех частотах, где способен усиливать, при любом прогреве и любой нагрузке.