Сигнал с комнатной антенны в вещательном диапазоне 88-108 МГц редко дотягивает до десятков микровольт, и почти всё, что приёмник покажет дальше, решается в первом каскаде. Если на вход встанет не тот транзистор, приёмник потеряет и чувствительность, и избирательность, причём на бумаге оба кандидата выглядят одинаково достойно. Спор между полевым КП303 из отечественных запасников и биполярным BF199 из импортных тюнеров тянется десятилетиями. Разрешить его можно не вкусом, а расчётом: усиление, шум и ёмкости на 100 МГц складываются в ясную картину за пару страниц арифметики. Строго говоря, аббревиатура УВЧ в классической литературе расшифровывается как усилитель высокой частоты, тот самый входной каскад, о котором пойдёт речь, а участок спектра относится к метровым волнам. Дальше по порядку: паспортные данные обоих приборов, поведение входных ёмкостей, расчёт контура и усиления, шумовая физика, методика измерений и схема, которая снимает спор разом.
Полевой транзистор КП303 как малошумящий вход радиоприёмника
КП303 это кремниевый полевой транзистор с управляющим p-n переходом и каналом n типа в пластмассовом корпусе КТ-26. Внутри серии буквенный индекс от А до Е задаёт разброс параметров. Крутизна характеристики у КП303А составляет 2-5 мА/В, у КП303Б 3-7 мА/В, у КП303В 4-8 мА/В, у КП303Г 5-10 мА/В, у КП303Д 6-12 мА/В, у КП303Е 8-15 мА/В. Начальный ток стока растёт от 3-12 мА у младших индексов до 15-45 мА у старших. Напряжение отсечки затвора лежит в пределах от долей вольта до восьми вольт, предельное напряжение сток-исток 25 В, рассеиваемая мощность около 250 мВт, входная ёмкость порядка 4-6 пФ, проходная около 1,5 пФ.
Сила полевого прибора в том, что затвор не потребляет тока. Сопротивление затворной цепи по постоянному току достигает сотен мегаом, утечки измеряются наноамперами, поэтому антенный контур сохраняет добротность и не платит избирательностью за связь с первым каскадом. Именно за это свойство КП303 десятилетиями ставили на вход УКВ блоков и коротковолновых трансиверов, прибор копеечный, десятками лежит в коробках у любого, кто разбирал старую аппаратуру, и до сих пор продаётся.
Рабочую точку считают по квадратичной характеристике. Для примера выбран КП303Г с отсечкой 2 В и начальным током 8 мА. Ток стока равен начальному току, умноженному на квадрат выражения (1 - Uзи/Uотс). Для тока покоя 2 мА скобка равняется корню квадратному из 2/8, то есть 0,5, напряжение затвор-исток получается минус 1 В, и истоковый резистор 500 Ом при затворе, подтянутом к корпусу через 100 кОм, даёт нужное смещение. Рабочая крутизна равна удвоенному отношению начального тока к отсечке, умноженному на ту же скобку 0,5, итого 4 мА/В. Две строчки арифметики, и усиление будущего каскада по ним считается заранее, до первой пайки.
Биполярный BF199 и его паспортные резервы на сотнях мегагерц
BF199 это кремниевый планарный биполярный транзистор структуры n-p-n, созданный для входных и смесительных трактов УКВ блоков телевизоров и ЧМ тюнеров. Граничная частота усиления 550 МГц в типовом режиме при токе коллектора 7 мА. Предельное напряжение коллектор-база 40 В, коллектор-эмиттер 25 В, ток коллектора 25 мА, мощность 300 мВт, коэффициент передачи тока 38-90. Шумовые данные близки к рекордным: типичный коэффициент шума на 100 МГц при согласованном источнике укладывается в 1,5-2 дБ, проходная ёмкость коллектор-база меньше пикофарада, обычно 0,6-0,7 пФ, поэтому паразитная обратная связь слабая, и каскад не норовит превратиться в генератор.
Главный резерв биполярного прибора это крутизна. При токе 7 мА и тепловом потенциале 26 мВ она составляет 270 мА/В, почти в семьдесят раз выше, чем у полевого с его четырьмя мА/В. Усиления столько, что конструктор тратит силы не на то, чтобы его получить, а на то, чтобы усмирить избыток. Отсюда характерная для BF199 манера включения через отводы контура.
Рабочая точка ставится за минуту. Питание 12 В, желаемый ток 6 мА, эмиттерный резистор 120 Ом, на нём падает 0,72 В. Базовый делитель из 10 кОм и 1,5 кОм даёт 12, умноженные на 1,5 и делённые на 11,5, то есть 1,57 В, на эмиттере остаётся 0,87 В, ток выходит 7,2 мА. Пара резисторов, и транзистор сидит в нужной точке, а от её точности зависят и крутизна, и шум, и запас по частоте. Ставили BF199 во входные антенные усилители и в каскады промежуточной частоты 10,7 МГц, прибор массовый, встречается в донорских тюнерах и продаётся копейки.
Входные ёмкости на частоте 100 МГц портят картину сильнее паспортов
На УКВ паспортные токи и напряжения отходят на второй план, а рулят пикофарады. Полезное правило для быстрых прикидок: сопротивление ёмкости в омах равно 159 000, делённым на произведение частоты в мегагерцах и ёмкости в пикофарадах. На частоте 100 МГц конденсатор 5 пФ тянет на 318 Ом. Вход КП303 это те самые 4-6 пФ чистой ёмкости, нагрузка умеренная и без активной составляющей: контур слегка расстраивается, но добротности не теряет.
Вход биполярного транзистора коварнее. Собственная ёмкость база-эмиттер 1-2 пФ выглядит скромно, но усиление каскада через эффект Миллера умножает её на коэффициент усиления плюс единица. При усилении в 15 раз и ёмкости 1,5 пФ вход превращается в 24 пФ, а это 66 Ом на той же частоте. Что происходит с контуром при такой нагрузке? Он расстраивается, полоса расширяется в разы, добротность падает с сорока до единиц, и соседний мощный канал пролезает сквозь всё, что вчера было стеной.
У полевого Миллер тоже работает: проходная ёмкость затвор-сток около 1,5 пФ при усилении в десять раз добавляет к затвору порядка 16 пФ, и вход вырастает до 21 пФ. Разница не в цифрах, а в качестве нагрузки. Затвор заперт обратносмещённым переходом и потерь в контур почти не вносит, база биполярного связана с прямосмещённым эмиттерным переходом, тянет ток и вносит активные потери, поэтому второй прибор бережёт контур хуже первого.
Лекарства известны: включение транзистора с отвода контура, трансформаторная связь, нейтрализация и каскод, разбивающий усиление на два прибора так, что каждый видит нагрузку, близкую к единице. Об этой связке отдельно в конце статьи.
Числовой пример расчёта контура и усиления на 100 МГц
Входной контур на середину вещательного диапазона собирают на катушке 0,15 мкГн. Характеристическое сопротивление равно произведению 6,28 на 100 и на 0,15, около 94 Ом, резонансная ёмкость выходит примерно 17 пФ. Проверка тем же правилом: 159 000, делённые на произведение 100 и 17, дают 94 Ом, значения сходятся. Собственная добротность катушки с посеребрённой обмоткой 100-150, рабочая с учётом отводов и нагрузки 35-45, в расчёт идёт 40. Эквивалентное сопротивление контура 94, умноженные на 40, дают 3,8 кОм, полоса по уровню 3 дБ равна 100, делённым на 40, то есть 2,5 МГц, а окончательную избирательность добирает тракт промежуточной частоты.
Теперь усиление. КП303 с рабочей крутизной 4 мА/В при включении на всё контурное сопротивление даёт 4, умноженные на 3,8, итого 15 раз, или 23,5 дБ. Часть усиления уйдёт за устойчивость и согласование, реально каскад отдаёт 15-18 дБ, и это отличная цифра для прибора с током 2 мА.
BF199 с крутизной 270 мА/В включать на весь контур нельзя, устойчивость не позволит. Включение с отвода в одну шестую витков даёт трансформацию в 36 раз, на коллекторе остаётся 3,8 кОм, делённые на 36, около 105 Ом. Теоретическое усиление 270, умноженные на 0,105, составляет 28 раз, или 29 дБ, практика стабилизируется на 18-22 дБ. Парадокс налицо: семикратное превосходство по крутизне превращается в скромный выигрыш, остальное съедают Миллер и требования устойчивости. Усиление одного каскада на УКВ упирается не в прибор, а в то, сколько от него можно безопасно взять.
Зачем считать, если можно спаять и посмотреть? Затем, что расчёт заранее показывает, где пройдут компромиссы и окажется ли разница между приборами вообще заметной.
Шумовые свойства и оптимальное сопротивление источника сигнала
Шумовая физика у двух приборов разная до смешного. У биполярного эквивалентное шумовое сопротивление складывается из объёмного сопротивления базы и половины сопротивления эмиттера. При токе 7 мА сопротивление эмиттера равно 26, делённым на 7, то есть 3,7 Ом, объёмное сопротивление базы у маломощных ВЧ приборов 20-40 Ом, итого 22-42 Ом. Оптимум источника сигнала получается в районе 50-100 Ом, ровно там, где живёт стандартная антенная система 50 или 75 Ом. Разработчики тюнеров подключали BF199 к антенне почти напрямую, и это была не лень, а шумовое согласование.
У полевого тепловую долю шума канала пересчитывают в эквивалентное шумовое сопротивление, равное примерно 0,7, делённым на крутизну. При крутизне 4 мА/В это 175 Ом, и оптимальный источник уходит в сотни ом, туда, где биполярный прибор уже слышит собственную базу. Вход КП303 почти чистая ёмкость, поэтому трансформацией контура сопротивление источника для шума поднимают без потерь. Рамочная антенна, длинный луч, коротковолновый диапазон: здесь полевой прибор дома.
На УКВ картина выравнивается: шум обоих приборов при правильном согласовании укладывается в единицы децибел, и решающим становится не тип перехода, а качество контура, экрана и монтажа. А что это означает в микровольтах? В 75-омном тракте уровень 1 мкВ соответствует примерно минус 109 дБм, поэтому приёмник с шумом 3 дБ достигает отношения сигнал/шум 12 дБ на сигнале 1,4 мкВ, а приёмник с шумом 6 дБ требует уже 2 мкВ. Двукратная разница на входе превращается в разницу между уверенным приёмом дальней станции и молчанием динамика.
Измерение коэффициента шума генератором и аттенюатором вместо оценки на слух
Слух как измерительный прибор коварен: он слышит громкость, а не шум, и легко обманывается чуть более мощным трактом. Инженерный способ проще, и для него достаточно генератора высокой частоты, ступенчатого аттенюатора и вольтметра или осциллографа на выходе. Тепловой шум на входе при 290 К составляет минус 174 дБм в герцовой полосе, в полосе 200 кГц к нему добавляется 53 дБ, и пол получается минус 121 дБм. Дальше арифметика: уровень сигнала поднимают до тех пор, пока отношение сигнал/шум на выходе не достигнет 12 дБ, после чего коэффициент шума считается как уровень входа плюс 121 минус 12, то есть для этих условий NF равен уровню входа в дБм плюс 109. Замер минус 106 дБм означает 3 дБ шума, замер минус 103 дБм означает 6 дБ.
Разницу между транзисторами удобнее всего ловить парным тестом. Один и тот же каскад, один монтаж, две панельки: в одну ставят КП303 с обвязкой полевого, во вторую BF199 с обвязкой биполярного, и приборы меняют, не трогая остального. Уровень генератора для одинакового отношения сигнал/шум фиксируют, и разница уровней в децибелах равна разнице коэффициентов шума. Экранная коробка при таких замерах не роскошь, а условие задачи: без неё городские помехи подмешаются к тепловому шуму.
Перед замером стоит пройтись по короткой последовательности действий:
- собрать каскад в экранированной коробке с короткими выводами и питанием через дроссель 10 мкГн и блокировочный конденсатор 1000 пФ;
- выставить ток покоя по постоянному напряжению на эмиттере или истоке и убедиться в отсутствии генерации;
- подать от генератора минимальный сигнал через аттенюатор и плавно поднять уровень до отношения сигнал/шум 12 дБ;
- пересчитать зафиксированный уровень в коэффициент шума по правилу NF равен уровню в дБм плюс 109;
- повторить замер с заменённым транзистором и сравнить разницу в децибелах.
Пять шагов и два вечера, и вопрос о том, чей транзистор лучше, получает персональный числовой ответ.
Каскод из КП303 и BF199 как способ собрать лучшее из двух миров
Спор о выборе можно не выигрывать, а обойти. Каскод ставит полевой прибор внизу, общим истоком, его сток связан с эмиттером BF199, база верхнего прибора сидит на корпусе через блокировочный конденсатор, а коллектор уходит в контур. Нагрузкой нижнего транзистора служит низкоомный эмиттер верхнего, усиление нижнего прибора близко к единице, и Миллер у полевого исчезает вместе с распухшей входной ёмкостью. У верхнего прибора база заземлена по переменному току, обратная связь подавлена, и каскад сохраняет устойчивость там, где одиночный уже норовит сорваться в генерацию. Вход всей конструкции остаётся затвором КП303 с его мягкими 5 пФ, а усиление складывается из крутизны полевого и усиления верхнего прибора по схеме с общей базой. На практике такие связки дают 20-25 дБ с запасом при токе 5-6 мА и питании 12-15 В.
Обвязка минимальна: затвор смещается истоковым резистором 330 Ом, шунтированным конденсатором 1000 пФ, база верхнего прибора получает смещение с делителя, коллектор питается через контур. Монтаж короткий, выводы прямые, экран обязателен, вся конструкция повторяется за вечер на макетке из фольгированного стеклотекстолита.
Итог получается честным. Для коротких волн, высокоомных антенн и лёгкой нагрузки контура КП303 безупречен, его вход бережёт добротность, а шум при высокоомном источнике ниже, чем у биполярного. Для УКВ с несимметричным трактом 50-75 Ом BF199 удобнее, его крутизна и низкое оптимальное шумовое сопротивление ложатся на стандартную антенну как влитые. Когда нужны мягкий вход, высокое усиление и запас устойчивости разом, пара КП303 с BF199 в каскоде собирает сильные стороны обоих приборов в одном каскаде. Тот же подход пригодится и дальше по частоте: выше 400 МГц полевому из этой пары становится тесно, арена остаётся за биполярными приборами, но методика не меняется. Считать ёмкости, считать шум, согласовывать источник и проверять замером: эти четыре шага вытянут любой входной каскад, от простого приёмника до серьёзного связного тракта.