WWW.LIB.KNIGI-X.RU
БЕСПЛАТНАЯ  ИНТЕРНЕТ  БИБЛИОТЕКА - Электронные матриалы
 

«Усилители мощности (Генераторы с внешним возбуждением) Усилители мощности (Генераторы с внешним возбуждением). 1 Общие сведения об усилителях мощности УМ Состав УМ Используемые активные ...»

Усилители мощности (Генераторы с внешним

возбуждением)

Усилители мощности (Генераторы с внешним возбуждением).................. 1

Общие сведения об усилителях мощности УМ

Состав УМ

Используемые активные элементы

Характеристики усилительных элементов, УМ, АГ

Схемы включения транзисторов

Нагрузка усилителя

Резонансный усилитель мощности

Схемы питания коллекторной цепи

Режимы работы АЭ в УМ

Работа УМ в линейном режиме

Работа УМ с отсечкой выходного тока

Ключевые режимы работы УМ

Динамические характеристики УМ

Режимы (классы) работы электронного прибора

Энергетические показатели выходной цепи УМ

Энергетические показатели входной цепи УМ

Напряженность режима АЭ

Свойства режимов УМ

Усилитель мощности. Класс C

Гармонический анализ импульсов выходного тока

Расчет составляющих выходного тока УМ. Коэффициенты Берга

Выбор угла отсечки

Нагрузочные характеристики УМ

Оптимальные режимы работы УМ

Двухтактный усилитель

Двухтактный усилитель. Класс B

Бестрансформаторные двухтактные усилители мощности

Двухтактный усилитель класса AB

Нелинейные искажения в двухтактных схемах

Искажения типа ступеньки (Crossover Distortion)

Нелинейные искажения в УМ

Настройка УМ

Предварительные усилители мощности

Схема УМ с ОЭ

Схема УМ с ОБ



Схемы умножителей частоты

Умножители частоты

Библиографический список

–  –  –

Важным каскадом современных радиопередатчиков является усилитель мощности (УМ), называемый иногда генератором с внешним возбуждением (ГВВ).

Состав УМ В состав усилителя мощности входят активный элемент (АЭ), нагрузка, цепи питания и смещения АЭ и цепь возбуждения, по которой на вход АЭ подается радиочастотный сигнал от возбудителя. В качестве возбудителя выступает предшествующий каскад передатчика. Цепи возбуждения и смещения образуют входную цепь АЭ, которая должна решать также задачи входной цепи согласования. В свою очередь цепи питания и нагрузки образуют выходную цепь АЭ, выполняющую функции выходной согласующей цепи.

Напомним, что цепи согласования служат, во-первых, для трансформации (согласования) сопротивлений; во-вторых, для формирования совместно с цепями питания и смещения необходимой формы токов и напряжений, обеспечивающих требуемый режим работы УМ, и, в третьих, для фильтрации высших гармоник. Обобщенная структурная схема УМ изображена на рис. 1.

Обобщенная структурная схема УМ [9, c. 3]

Обобщенная структурная схема УМ приведена на рис. 1. В состав УМ входят:

• активный элемент (АЭ),

• нагрузка каскада,

• цепи питания и смещения АЭ;

• входная цепь или цепь возбуждения, по которой на вход АЭ подается радиочастотный сигнал от возбудителя.

В качестве возбудителя выступает предшествующий каскад передатчика. Цепи возбуждения и смещения образуют входную цепь УМ, которая должна решать также задачи входной цепи согласования. В свою очередь цепи питания и нагрузки образуют выходную цепь УМ, выполняющую функции выходной согласующей цепи.

Цепи согласования служат для:

• трансформации (согласования) сопротивлений;

• формирования совместно с цепями питания и смещения необходимой формы токов и напряжений, обеспечивающих требуемый режим работы УМ,

• фильтрации высших гармоник.

22.11.2014 2 - 56 Входная цепь согласования трансформирует входное сопротивление АЭ в сопротивление, равное внутреннему сопротивлению Ri возбудителя (В), а выходная цепь согласования – сопротивление потребителя Rп (входное сопротивление следующего каскада, фидера, антенны) в оптимальное сопротивление нагрузки АЭ.

–  –  –

В качестве АЭ в УМ используются биполярные и полевые транзисторы, электровакуумные лампы.

Биполярные транзисторы (Bipolar Junction Transistor. BJT) имеют три контакта:

• Коллектор (collector) — на него подаётся высокое напряжение, которым хочется управлять

• База (base) — через неё подаётся небольшой ток, чтобы разблокировать большой; база заземляется, чтобы заблокировать его

• Эмиттер (emitter) — через него проходит ток с коллектора и базы, когда транзистор «открыт»

Полевые транзисторы (Field Effect Transistor, FET) обладают тремя контактами:

• Сток (drain) — на него подаётся высокое напряжение, которым хочется управлять

• Затвор (gate) — на него подаётся напряжение, чтобы разрешить течение тока; затвор заземляется, чтобы заблокировать ток.

• Исток (source) — через него проходит ток со стока, когда транзистор «открыт»

--------------------------------------------

–  –  –

Статическая характеристика ЭП - выраженная графически зависимость (функция) тока какого-либо электрода ЭП от напряжения на каком- либо электроде (аргумент) при неизменных напряжениях на других электродах (параметр) (рис. 10.1).

Поскольку параметр может иметь несколько значений, строятся семейства характеристик. Семейства характеристик позволяют определять значения тока любого электрода электронного прибора при любых произвольных комбинациях напряжений на его электродах.

Различают:

• а) входные характеристики iвх = f (евх); например, у БП – iб = f1(еэбэ), при cons I;

• б) проходные характеристики iвых = f (евх); например, у БП – iк = f1(ебэ), при cons i);

• в) выходные характеристики iвых = f (евых), например, у БП – iк = f1(ек); при ебэ = cons.

Идеализированные проходные и выходные характеристики транзистора

–  –  –

Простейшая схема УМ на транзисторе приведена на рис. 2.

Рис. 2 Простейшая схема УМ на транзисторе приведена на рис. 2 [9, c. 4]

• Входная цепь содержит разделительный конденсатор Ср1 и резистор Rб, служащий для замыкания постоянной составляющей тока базы.

• Коллекторная цепь транзистора питается от источника с напряжением Ек. Выходная цепь содержит разделительный конденсатор Ср2 и цепь питания, состоящую из блокировочных элементов Lбл, Сбл, препятствующих замыканию переменной составляющей коллекторного тока через источник.

22.11.2014 8 - 56 Схемы включения транзисторов УМ в передатчиках используют схемы включения транзисторов либо с общим эмиттером (ОЭ), либо с общей базой (ОБ). И та и другая схема включения имеет свои достоинства, целесообразность же применения их в конкретном случае должна быть обоснована.

-------------------------------------------------------------Схема включения биполярного транзистора в усилителя с общим эмиттером Для включения в схему транзистор должен иметь четыре вывода — два входных и два выходных. Но транзисторы всех разновидностей имеют только три вывода. Для включения трёхвыводного прибора необходимо один из выводов объединить, и поскольку таких комбинаций может быть только три, то существуют три базовых схемы включения транзистора:

Схемы включения биполярного транзистора

• с общим эмиттером (ОЭ) производит усиление как по току, так и по напряжению — наиболее часто применяемая схема;

• с общим коллектором (ОК) производит или эмиттерный повторитель усиление только по току — применяется для согласования высокоимпедансных источников сигнала с низкоомными сопротивлениями нагрузок;

• с общей базой (ОБ) — усиление только по напряжению, в силу своих недостатков в однотранзисторных каскадах усиления применяется редко (в основном в усилителях СВЧ), обычно в составных схемах (например, каскодных).

22.11.2014 9 - 56 ОЭ Схемы включения полевого транзистора Полевые транзисторы, как с p-n переходом (канальные), так и МОП (МДП) имеют следующие схемы включения:

• с общим истоком (ОИ) — аналог ОЭ биполярного транзистора;

• с общим стоком (ОС) — аналог ОК биполярного транзистора;

• с общим затвором (ОЗ) — аналог ОБ биполярного транзистора.

–  –  –

Характер нагрузки в выходной цепи каскада определяется используемыми схемотехническими решениями: активная, реактивная, комплексная, резисторная, резисторно-дроссельная, трансформаторная, резонансная (избирательная моногармоническая), полосовая, избирательная полигармоническая (например, бигармоническая), в виде "формирующего контура"





Резонансный усилитель мощности

Резонансный усилитель мощности, резонансный каскад; УМ с резонансной нагрузкой

- каскад радиопередатчика, в выходной (коллекторной, анодной) цепи которого имеется колебательный LС-контур или система связанных контуров.

При использовании колебательного контура эквивалентное сопротивление нагрузки УМ обладает выраженной зависимостью от частоты в форме резонансной кривой.

Резонансный каскад имеет свойство подавления (фильтрации) нерабочих составляющих спектра выходного тока, что и обуславливает частое применение резонансного построения в выходных каскадах передатчиков.

-----------------------------Принципиальная схема резонансного каскада усиления классов A, AB, B или C

–  –  –

Режимы работы АЭ подразделяются на два класса: режим усиления колебаний первого рода и режим колебаний второго рода.

Работа УМ в линейном режиме Для реализации режима линейного усиления положение рабочей точки в исходном состоянии на проходной характеристике транзистора выбирают на середине линейного участка (рис. 3).

На рисунке обозначено:

• Iк0 – постоянная составляющая коллекторного тока;

• Iк1 – амплитуда первой гармоники тока коллектора;

• iк – мгновенное значение коллекторного тока.

Рис. 3 Выбор рабочей точки на проходной характеристике транзистора для режима усиления колебаний первого рода r Работа УМ с отсечкой выходного тока В реальных каскадах, работающих в этом режиме, максимальное значение КПД не может превысить величины 0,4. Поэтому режим колебаний первого рода практически не используется в радиопередатчиках из-за низкой энергетической эффективности.

Для реализации режимов работы АЭ с отсечкой выходного тока рабочую точку устанавливают в нижней части проходной характеристики транзистора (рис. 4). Реальный выходной сигнал УМ в этом случае представляет собой периодическую последовательность косинусоидальных импульсов.

22.11.2014 15 - 56 Рис. 4 Режимы работы АЭ, при которых ток в выходной цепи протекает только часть периода входного колебания, объединяются в режим колебаний второго рода.

При работе с колебаниями второго рода выходной ток транзистора представляет собой периодическую последовательность импульсов, длительность и амплитуда которых зависит от значения напряжения смещения Есм по отношению к напряжению отсечки Е/ коллекторного тока.

Эти импульсы называются косинусоидальными, и они характеризуются двумя основными параметрами: амплитудой импульса Iк.max и углом отсечки.

Углом отсечки называется половина длительности импульса тока размерности t (в градусах или радианах).

Спектр такой последовательности импульсов представляет собой набор спектральных составляющих с частотами, кратными основной частоте входного колебания.

Ключевые режимы работы УМ При увеличении входного сигнала и достижении им верхнего изгиба проходной характеристики, АЭ переходит в состояние насыщения, а вершина косинусоидального импульса выходного тока срезается.

Режим работы АЭ в этом случае называется ключевым.

22.11.2014 16 - 56 Динамические характеристики УМ

• Динамические характеристики УМ (ГВВ). Временные диаграммы токов и напряжений в цепях резонансного УМ при работе с отсечкой выходного тока.

--------------------------------------------------------------------Динамическая характеристика показывает, как изменяется ток выходного электрода АЭ при изменении напряжений и наличии нагрузки.

Иными словами, динамическая характеристика представляет собой линию на статических характеристиках АЭ, по которой перемещается рабочая точка за период колебаний.

Динамической характеристики АЭ, можно характеризует степень искажения импульса выходного тока

–  –  –

Примеры построения динамических характеристик для недонапряженных режимов работы. ???

22.11.2014 18 - 56 6.2 6.3 ====================== Под сопротивлением нагрузки понимается эквивалентное сопротивление выходной колебательной системы (контура) УМ.

Зависимости параметров генератора от сопротивления нагрузки называют нагрузочными характеристиками УМ. Их можно построить с помощью динамических характеристик генератора (см. рис. 8). Нагрузочные характеристики для токов и напряжений приведены на рис. 13, а для энергетических параметров – на рис. 14.

Выходная статическая вольт-амперная характеристика транзистора изобна рис. 6.1.

На ней можно выделить две области: 1 – недонапряженную область, в которой выходное напряжение мало влияет на выходной ток;

–  –  –

-------------------------Классификация электронных усилителей.

http://ru.wikipedia.org/wiki/Классификация_электронных_усилителей ====================================== В зависимости от реализованной в УМ величины угла отсечки режимы работы каскада подразделяют, используя следующие обозначения:

• А – режим колебаний первого рода или без отсечки.

• АВ, В и С относятся к режиму колебаний второго рода, с отсечкой и обозначают импульсные режимы работы.

• D – ключевой режим.

Связь этих режимов с величиной показана на рис. 5.

22.11.2014 20 - 56 Рис. 5. Расположение рабочей точки для различных классов работы усилителей Amplifier Classes and Efficiency [http://www.electronics-tutorials.ws/amplifier/amplifierclasses.html] По сравнению с режимом А импульсные режимы, как обладающие гораздо меньшими значениями постоянной составляющей выходного тока, являются энергетически более эффективными. Высокий КПД в режиме с отсечкой делает УМ основным усилительным каскадом в радиопередающих устройствах.

22.11.2014 21 - 56 Овердрайв и дисторшн -различные способы деформации сигнала.

• Overdrive - перегрузка устройства происходит при превышении входным сигналом определенного уровня по амплитуде или мощности;

• Distortion – (нелинейные) искажения сигнала, представляют собой изменение формы колебаний, проходящих через электрическую цепь (усилитель), возникающие вследствие нарушения пропорциональности между мгновенными значениями напряжения на входе этой цепи и на ее выходе.

=================================== Таким образом, можно сказать, что класс работы усилителя мощности определяют угол отсечки (conduction angle), параметры выходной нагрузки (output load network) и перегрузка входным сигналом (input signal overdrive).

22.11.2014 22 - 56 Определение различных классов усиления Рисунок показывает, как угол отсечки и уровень входного сигнала определяют класс работы УМ. Из рассмотрения рисунка видно, что в зависимости от вышеуказанных двух факторов УМ может функционировать в любом из классических режимов. При небольшом входном РЧ сигнала усилитель может работать в классе А, АВ, В или С в зависимости от угла отсечки, определяемого соотношением напряжения смещения (bias voltage) и порогового напряжения транзистора (threshold voltage).

Эффективность УМ может быть улучшена, при уменьшении его угла отсечки, путем перемещая разработку в режим класса С, но за счет более низкой выходной мощности.

Альтернативным подходом к повышению эффективности каскада без ущерба выходной мощности, является увеличение перегрузки устройства по входу (input overdrive) таким образом, что транзистор действует как переключатель (ключ). Такие режимы называют насыщенными классами (saturated class) А и С, классом D, E или F, в зависимости от угла отсечки и формы цепи нагрузки (shape of the load network).

22.11.2014 23 - 56 Энергетические показатели выходной цепи УМ Рассмотрим импульсные режимы работы.

Основные токи и напряжения, участвующие в работе УМ, в котором АЭ включен по схеме с ОЭ, показаны на рис. 1.

Ек = uк(t) + uн(t), где uн(t) – напряжение на нагрузке; uк(t) – напряжение на коллекторе.

Соответственно мощность потребления P0 = Pк.рас + i i ©P, где Pк.рас – мощность рассеяния на коллекторе, i i ©P – сумма мощностей гармоник коллекторного тока, выделяемых на нагрузке.

Для УМ, работающего в качестве усилителя (нагрузка настраивается на частоту первой гармоники):

P1 i i ©P при i 1 и P0 Pк.рас + Р1, где Р1 – мощность первой гармоники коллекторного тока в нагрузке.

Это выражение является записью энергетического баланса выходной цепи усилителя мощности.

Для умножителя частоты, нагрузка которого настраивается на частоту n-й гармоники:

Pn i i ©P при i n и в этом случае P0 Pк.рас + Рn, где Рn – мощность n-й гармоники в нагрузке.

Последнее выражение является соотношением энергетического баланса выходной цепи умножителя частоты.

КПД выходной цепи УМ ~, P P = где P~ – колебательная мощность, выделяемая в нагрузке. При настроенной нагрузке P~ = Р1 (для усилителя) и P~ = Рn (для умножителя частоты).

Для усилителя 1 к1 н 0 к к0 0,5,

–  –  –

Отношение амплитуды переменного напряжения на нагрузке к напряжению источника коллекторного питания называется коэффициентом использования транзистора по коллекторному напряжению н к.

U E = Таким образом, = 0,5g, и, следовательно, для увеличения КПД необходимо увеличивать долю переменных составляющих выходного тока и напряжения на нагрузке по отношению к постоянным составляющим выходной цепи АЭ.

Энергетические показатели входной цепи УМ Входная цепь содержит цепи возбуждения и смещения (см. рис. 1).

Входное напряжение АЭ uб(t) представляет сумму напряжений смещения Eсм и возбуждения uв(t):

uб (t) = Eсм + uв (t).

Если каскад возбуждается гармоническим напряжением, то uв (t) =Uв cost, где Uв – амплитуда напряжения возбуждения, и uб (t) = Eсм +Uв cost.

Если умножить обе части равенства на входной ток (ток базы) и проинтегрировать полученные произведения на периоде колебания высокой частоты, то получим б см в, P = P + P (1) где Рб – мощность, рассеиваемая на входном электроде (на базе);

Рсм – мощность, выделяемая в источнике смещения;

Рв – мощность возбуждения.

Pсм = EсмIвх0, Pв = 0,5Uв Iв, где Iвх0 – постоянная составляющая входного тока;

Uв и Iв – амплитуды переменных составляющих напряжения и тока возбуждения, т. е.

первой гармоники.

Выражение (1) является соотношением энергетического баланса входной цепи УМ, которое можно переписать в следующем виде при Есм 0:

Рв(1) = Рб + Рсм, где Рв(1) – мощность сигнала первой гармоники на входе УМ.

–  –  –

Как правило, КПД транзисторных УМ принимает значения от 70 до 90%.

22.11.2014 26 - 56 Напряженность режима АЭ Понятие электрического режима АЭ вводится для изучения и анализа работы УМ, классификации рабочих состояний АЭ. В электрический режим АЭ входят его параметры в их взаимосвязи.

Одной из характеристик электрического режима является напряженность режима, оцениваемая степенью искажения импульса выходного тока.

Численной мерой напряженности режима служит коэффициент использования коллекторного напряжения.

Искажение импульсов выходного тока обусловлено (коллекторного) перераспределением суммарного тока АЭ между токами электродов. Так для транзистора, включенного по схеме с ОЭ, эмиттерный ток будет перераспределяться между коллекторным и базовым токами (рис. 6).

Напряженность режима - характеристика распределения тока общего электрода электронного прибора (эмиттера) между выходной цепью (коллекторной) и остальными цепями ЭП, т.е. цепью базы транзистора.

Рис.

6 По степени проявления указанных признаков режимы АЭ можно разделить на четыре режима по напряженности:

• недонапряженный (ННР),

• граничный (критический) (ГР),

• слабоперенапряженный (СПНР).

• сильноперенапряженный (ПНР).

Особенно наглядно области этих режимов можно представить на выходных и проходных статических характеристиках (рис. 7).

22.11.2014 27 - 56 Линия граничного режима (ЛГР) проводится через точки наибольшей кривизны кривых семейства выходных статических характеристик.

Справа от нее расположена область, соответствующая недонапряженному режиму и характеризуемая малыми входными токами (в данном случае малым током базы iб) и слабой зависимостью выходного тока от выходного напряжения (iк от uк).

Слева – область, относящаяся к перенапряженному режиму, отличительными особенностями которого являются большие входные токи и сильная зависимость входного тока от выходного напряжения.

Граничный (критический) режим – режим переходной. Таким образом, названия режимов (недонапряженный, перенапряженный) указывают прежде всего на уровень мощности рассеяния на входном электроде, на величину входного тока.

Классификация режимов УМ (ГВВ) по напряженности Напряженность режима - характеристика распределения тока общего электрода электронного прибора (эмиттера) между выходной цепью (коллекторной) и остальными цепями ЭП, т.е. цепью базы транзистора (рис.).

[4], c. 19-22.

[9, с. 11-12]

-------------------------Графически напряженность режима проявляется в изменении формы импульса выходного тока и в его величины. Внешне напряженность режима проявляется в соотношении постоянных составляющих тока электродов транзистора.

Уменьшение амплитуды импульса и появление провала в нем обуславливается резким уменьшением коллекторного тока за счет увеличения базового. Для описания формы импульсов выходного тока в ПНР вводятся дополнительные углы отсечки: верхний 1 и нижний 2.

22.11.2014 28 - 56 Примеры построения динамических характеристик для недонапряженного, граничного, слабо и сильноперенапряженного режимов класса В На рисунке приведены четыре характерных динамических характеристики [9, с. 11Вертикальная характеристика соответствует нулевому сопротивлению нагрузки АЭ: Rн = 0.

• характеристика АВ относится к ННР. В этом режиме выходной ток имеет вид косинусоидального импульса, а динамическая характеристика соответствует кривой В на рисунке.

• характеристика АС относится к граничному режиму, который разделяет недонапряженные режимы от перенапряженных. В граничном режиме УМ отдает наибольшую мощность при высоком КПД. Импульс выходного тока в этом случае имеет уплощенную вершину (кривая С).

• характеристика ADF относится к слабоперенапряженному режиму, которому соответствует импульс выходного тока с провалом (кривая D), т.е. на нем появляется второй угол отсечки 1.

• характеристика AEG относится к сильноперенапряженному режиму, при котором выходной импульс приобретает двурогий вид, а провал опускается ниже оси абсцисс, где коллекторный ток равен нулю (кривая E), может быть зафиксирован еще один угол отсечки 2.

22.11.2014 29 - 56 Свойства режимов УМ Различаются следующие разновидности режима по степени напряженности [9, с.

20]:

• 1. Недонапряженный режим (Rн Rн.гр):

• – малое напряжение на нагрузке Uн;

• – большое остаточное напряжение на выходном электроде;

• – режим опасный по выходному электроду, потери на нем могут превысить допустимые;

• – большой ток выходного электрода;

• – малый ток входного электрода;

• – импульс выходного тока косинусоидального вида.

• 2. Критический режим (Rн = Rн.гр):

• – максимальная полезная мощность;

• – максимальный коэффициент усиления мощности;

• – высокий КПД;

• – импульс выходного тока уплощенный.

• 3. Перенапряженный режим (Rн Rн.гр):

• – большое напряжение на нагрузке;

• – малое остаточное напряжение на выходном электроде;

• – небольшой ток выходного электрода;

• – большой ток входного электрода;

• – слабоперенапряженный режим – максимальный КПД и импульс выходного тока с «провалом»;

• – сильноперенапряженный режим – тяжелый по входному электроду, потери на котором могут превысить допустимые; импульс выходного тока имеет провал.

Усилитель мощности. Класс C

–  –  –

22.11.2014 31 - 56 Гармонический анализ импульсов выходного тока

• Расчет составляющих выходного тока при работе с отсечкой по методу А.И. Берга.

Временная диаграмма и спектр выходного тока при работе с отсечкой. Физический смысл коэффициентов Берга и g. Графические зависимости коэффициентов Берга от величины угла отсечки.

----------------------------------------c. 44-47] ======================================== Так как угол отсечки является весьма важным параметром при описании импульсов выходного тока iвых, то имеет смысл установить его связь с энергетическими параметрами режима работы АЭ.

Рис. 9 Если предположить, что последовательность импульсов (рис.

9) бесконечна, то она может быть представлена рядом Фурье:

i вых I вых.max  0 + t... вых cos..., n i = I + I t + + I nt + вых вых0 вых1 cos где Iвых0 – постоянная составляющая выходного тока; Iвыхn – амплитуда n-й гармоники. В случае применения транзистора iвых=iк.

Коэффициенты ряда Фурье могут быть вычислены по следующим известным формулам:

вых0 вых если подставить в них выражение для мгновенного значения выходного тока iвых(t).

Для получения выражений коэффициентов ограничимся недонапряженным и граничным режимами, когда в описании импульса выходного тока фигурирует только один угол отсечки. Тогда, используя проходную статическую характеристику транзистора iк = f(uб) (рис. 10), можно записать

–  –  –

Установим связь энергетических параметров УМ с коэффициентами разложения и, следовательно, с углом отсечки.

Полезная колебательная мощность, выделяемая в нагрузке усилителя мощности, определяется первой гармоникой выходного тока, т. е.

P = 0,5Uвых Iвых1.

Учитывая выражения (10), перепишем предыдущее выражение через коэффициент

Берга:

вых выхmax 1 P = 0,5U I (), (11) что показывает зависимость Р~ от 1 и от. Подобным же образом можно показать зависимость колебательной мощности в нагрузке умножителя частоты от n () и.

КПД усилителя мощности и умножителя частоты, как было показано ранее, могут быть записаны через и g следующим образом:

у.м =1/ 2g1 и у.ч 1/ 2, n = g (12) где g1 и gn – коэффициенты формы тока по первой и n-й гармоникам.

Нетрудно показать, что Таким образом, КПД тоже является функцией коэффициентов разложения и, соответственно, угла отсечки.

Итак, значения коэффициентов разложения n() и n() зависят от номера гармоники и угла отсечки, т. е. однозначно характеризуют гармонический состав импульсов выходного тока при различных и определяют выходные энергетические параметры УМ.

===================================== Расчет составляющих выходного тока УМ. Коэффициенты Берга [1, c.41-47] Реальный выходной сигнал УМ представляет собой периодическую последовательность косинусоидальных импульсов. Спектр такой последовательности – набор спектральных составляющих с частотами, кратными основной частоте.

–  –  –

Коэффициенты Берга () представляют собой коэффициенты пропорциональности между гармоническими составляющими импульсов выходного тока и управляющим входным напряжением, умноженным на крутизну характеристики АЭ.

Коэффициенты разложения n() являются коэффициентами пропорциональности между составляющими импульса выходного тока и амплитудой этого импульса.

Графики зависимостей коэффициентов разложения и коэффициента формы для постоянной составляющей и первых трех гармоник от угла отсечки, а также зависимость Графики зависимостей коэффициентов разложения от угла отсечки для постоянной составляющей и первых трех гармоник, а также зависимость коэффициента формы g1() приведены на рис. 11 и 12. С их помощью могут быть найдены оптимальные углы отсечки при выбранном критерии, например, достижение максимальной полезной колебательной мощности.

22.11.2014 36 - 56 22.11.2014 37 - 56 Выбор угла отсечки Коэффициенты n(), n() и g1(), как отмечалось выше, определяют полезную мощность и КПД УМ. Значения коэффициентов вычислены точно для всего диапазона изменения угла. Графики зависимостей коэффициентов разложения для постоянной составляющей и первых трех гармоник от угла отсечки, а также зависимость g1() приведены на рис. 11 и 12. Назначение приведенных графиков – нахождение оптимальных углов отсечки при выбранном критерии (например, достижение максимальной полезной колебательной мощности).

Рис. 11 Рис. 12 Графики зависимостей коэффициентов разложения и коэффициента формы для постоянной составляющей и первых трех гармоник от угла отсечки, а также зависимость Для усилителя мощности максимальное значение Р1 {выражение (11)} соответствует наибольшему значению 1 при = 120°.

Для умножителей частоты надо ориентироваться на требуемый номер гармоники выходного тока.

22.11.2014 38 - 56 Так для удвоителя частоты максимум Р2 соответствует наибольшему значению 2 при = 60°, а для утроителя P3 – наибольшему значению 3 при = 45°. Значения углов, при которых наблюдаются максимумы коэффициентов n(), вычисляются по формуле = 120°/n.

КПД выходной цепи усилителя мощности, как видно из выражений (12) и (13), зависит от отношения 1()/0() или 1()/0(). С уменьшением эти отношения, а значит, и КПД возрастает, так как уменьшаются и потребляемая, и колебательная мощность, но потребляемая мощность (коэффициенты 0(), 0()) уменьшается быстрее, чем колебательная (коэффициенты 1() и 1()). Таким образом, рост КПД при стремлении к 0 вступает в противоречие с требованием большой колебательной мощности в нагрузке.

Поэтому на практике угол отсечки устанавливают в интервале 80° от 90°, когда КПД достаточно высок (0,7–0,75) и выходная колебательная мощность составляет приблизительно 0,9Р~max.

Определение оптимального угла отсечки из графиков коэффициентов разложения следует производить исходя из исходных данных и требований к разрабатываемому УМ.

Если требуется получить максимальную полезную мощность при заданном Iвых.max, то следует выбирать, которые соответствуют максимальным значениям коэффициентов n() (см. рис. 12). Если же задано напряжение Uв, то необходимо для нахождения руководствоваться положением максимума коэффициента 1() (см. рис. 11).

22.11.2014 39 - 56 Нагрузочные характеристики УМ Оптимальные режимы работы УМ Для практического выбора наиболее выгодного режима необходимо представлять, как изменяются токи, напряжения и энергетические параметры УМ при изменении исходных параметров. Чаще всего в качестве критерия оптимизации режима УМ используют максимизацию одного из энергетических параметров (полезной выходной мощности, КПД или коэффициента усиления мощности) при приемлемых значениях остальных.

Зависимость энергетических параметров от угла отсечки была показана в предыдущих разделах.

Однако режим работы УМ зависит также от питающих напряжений, от напряжения возбуждения Uв и от сопротивления нагрузки Rн.

Зависимость от Rн основных энергетических параметров (P~,, Kp – коэффициент усиления мощности) видна в следующих известных выражениях:

------------------------------------------------------------------------------------Если рассматривать типовой вариант расчета УМ с постоянным напряжением Uв ( = const) и стабильными питающими напряжениями, то Rн является основным параметром оптимизации режима УМ.

Сопротивление нагрузки - эквивалентное сопротивление выходной колебательной системы (контура) УМ.

–  –  –

Рис. 13 Рис. 14

• Пунктирная линия, проведенная через точку, соответствующую сопротивлению нагрузки для граничного (критического) режима Rн.гр, отделяет недонапряженный от перенапряженного режима.

Чтобы определить характер поведения энергетических параметров на рис. 14, обратимся к рис. 13.

В соответствии с динамическими характеристиками АЭ при увеличении Rн от нуля величины Iвых0 и Iвых1 сначала медленно уменьшаются, а затем, после наступления критического режима, крутизна их спада резко возрастает. Обратную картину изменения имеют величины Iвх0 и Iвх1 из-за перераспределения токов АЭ. Характер изменения Uн (быстрый рост в ННР и медленный в ПНР) объясняется ростом Rн и поведением Iвых1 в соответствии с выражением Uн = Iвых1 Rн.

Теперь нетрудно обосновать характер кривых на рис. 14. Мощность первой гармоники Р1 = 0,5Uн Iвых1, выделяемая в нагрузке, имеет максимум при Rн = Rн.гр, так как слева от этой точки поведение Р1 определяется в основном изменением Uн (Iвых1 слабо зависит от Rн), а справа – в основном резким падением Iвых1 при относительном постоянстве Uн.

Ход кривой потребляемой мощности Р0 повторяет характер изменения Iвых0, так как Р0 = Ек Iвых0 и Ек = const. Графики зависимостей мощностей рассеяния на входном Рб = Ррас.вх и выходном Рк = Ррас.вых электродах от Rн повторяют ход кривых Iвх0 и Iвых0. Коэффициент усиления мощности Kр достигает максимального значения в критическом режиме, а КПД – в слабоперенапряженном режиме.

Таким образом, оптимальным режимом УМ по критериям максимума выходной полезной мощности Р1 и коэффициента усиления Kр является критический режим.

Оптимальным режимом по критерию максимума КПД является слабоперенапряженный.

–  –  –

Двухтактный усилитель. Класс B Основным достоинством двухтактного каскада является возможность использования экономичного режима В без заметных нелинейных искажений. Это происходит благодаря свойству двухтактной схемы компенсировать четные гармоники. Если двухтактный каскад выполнен на однотипных усилительных элементах, то их возбуждение ведется от источника двухфазного (0° и 180°) напряжения, получаемого от фазоинверсного каскада или трансформатора, вторичная обмотка которого имеет вывод от средней точки, соединенной с общим проводом.

–  –  –

Бестрансформаторные двухтактные усилители мощности Бестрансформаторный усилитель представляет собой двухтактный каскад с последовательным питанием и параллельным возбуждением однофазным несимметричным напряжением.

Бестрансформаторный усилитель класса B Транзисторные бестрансформаторные усилители получили большое распространение из-за своих весьма высоких качественных показателей. Они являются основным звеном современной аппаратуры высококачественного усиления звуковых частот и РЧ оборудования и наиболее перспективны, так как могут быть реализованы в интегральном исполнении.

22.11.2014 44 - 56 Непосредственное включение внешней нагрузки в выходную цепь усилительных элементов позволяет исключить трансформатор. Трансформаторы создают частотные и нелинейные искажения. Трансформаторные каскады не способны пропускать широкую полосу частот, а за счет больших фазовых сдвигов в таких каскадах или становится невозможным применение глубокой обратной связи. Трансформаторы громоздки, обладают большей массой и, в отличие от транзисторов, диодов и резисторов, не могут являться элементами интегральных схем.

Двухтактный усилитель класса AB

–  –  –

Нелинейные искажения в двухтактных схемах Искажения типа ступеньки (Crossover Distortion) В двухтактной трансформаторной схеме в режиме класса "В" без исходного смещения характерны искажения типа «ступеньки».

–  –  –

Искажения типа ступеньки (Crossover Distortion Waveform) Сквозная схема управления двухтактной схемы в классе АВ (Non-Linear Transfer Characteristics) Для уменьшения этих искажений на базы транзисторов подается небольшое напряжение смещения (Pre-biasing), равное абсциссе точки пересечения касательной, проведенной через точку, расположенную на прямолинейной части характеристики, с осью абсцисс – используют работу усилителя в классе АВ.

–  –  –

Нелинейные искажения в УМ Then to summarise, Crossover Distortion occurs in Class B amplifiers because the amplifier is biased at its cut-off point. This then results in BOTH transistors being switched “OFF” at the same instant in time as the waveform crosses the zero axis. By applying a small base bias voltage either by using a resistive potential divider circuit or diode biasing this crossover distortion can be 22.11.2014 48 - 56 greatly reduced or even eliminated completely by bringing the transistors to the point of being just switched “ON”.

The application of a biasing voltage produces another type or class of amplifier circuit commonly called a Class AB Amplifier. Then the difference between a pure Class B amplifier and an improved Class AB amplifier is in the biasing level applied to the output transistors. One major advantage of using diodes over resistors is that the pn-junctions compensate for variations in the temperature of the transistors. Therefore, we can say the a Class AB amplifier is a Class B amplifier

with “Bias” and we can summarise as:

• Class A Amplifiers – No Crossover Distortion as they are biased in the centre of the load line.

• Class B Amplifiers – Large amounts of Crossover Distortion due to biasing at the cut-off point.

• Class AB Amplifiers – Some Crossover Distortion if the biasing level is set too low.

Настройка УМ До сих пор предполагалось, что АЭ в УМ работает с нагрузкой, настроенной на основную частоту. Поэтому можно было говорить об оптимальном режиме генератора в рабочем (штатном) состоянии. Однако на практике можно столкнуться со случаем, когда выходной контур еще не настроен на рабочую частоту или произошла его расстройка по каким-либо причинам. Рассмотрим, что происходит с АЭ при работе на ненастроенную нагрузку и как произвести настройку УМ.

Представим нагрузку в виде эквивалентной схемы последовательного соединения активного R() и реактивного X() сопротивлений (рис. 15), т.е. комплексное сопротивление нагрузки Z() = R() + jX(). Для данной эквивалентной схемы на рис. 16 показаны графики зависимостей активной и реактивной составляющих сопротивления нагрузки от частоты.

При настройке выходного контура УМ на рабочую частоту 0 активная часть R(0) принимает максимальное значение, а X(0) = 0.

В понимании процесса настройки УМ и его работы на расстроенную нагрузку помогают настроечные характеристики, которые показывают изменение режима АЭ при изменении характера нагрузки.

Под настроечными характеристиками будем понимать зависимости мощностей, напряжений и токов генератора от частоты.

При расстройке колебательного контура резко меняется режим работы АЭ. Если при настроенном контуре этот режим был критическим или слабоперенапряженным, то с расстройкой контура он становится недонапряженным. Изменение режима объясняется двумя причинами (см. рис. 16): во-первых, с расстройкой уменьшается активное сопротивление контура и напряжение на нем; во-вторых, происходит сдвиг фаз между входным (базовым) и выходным (коллекторным) напряжениями АЭ.

–  –  –

Поведение энергетических параметров УМ при расстройке показано на рис. 18.

Подводимая к генератору мощность Р0 растет с расстройкой, так как увеличивается постоянная составляющая выходного тока, а напряжение питания Ек – постоянно.

–  –  –

Если эта мощность превысит допустимую Рдоп, то АЭ может выйти из строя.

Поэтому начальную настройку УМ, когда неизвестна величина расстройки, рекомендуется производить при пониженном напряжении коллекторного питания, а уже более точную подстройку осуществлять при его номинальном значении. Эта процедура особенно важна при настройке мощных каскадов передатчика.

22.11.2014 51 - 56 Предварительные усилители мощности Маломощные усилители на биполярных транзисторах предназначены для работы в диапазоне частот от 30 МГц до 1000 МГц и применяются в промежуточных каскадах передатчиков. Транзистор в них целесообразно включать по схеме с ОЭ, так как такая схема включения имеет отрицательную обратную связь через емкость коллекторного перехода, которая стабилизирует работу каскада и повышает его устойчивость.

Коэффициент усиления мощности такого усилителя достаточно высок и может достигать нескольких десятков. При необходимости снижения коэффициента усиления мощности можно включать небольшое активное сопротивление (порядка нескольких ом) в цепь эмиттера или базы.

Схема маломощного усилителя на биполярном транзисторе приведена на рис. 19. Побразная входная цепь согласования С1, С2, L1 обеспечивает возбуждение усилителя гармоническим напряжением. Блокировочные элементы Сбл1 и Lбл1, Сбл2 и Lбл2 – фильтры в цепях смещения и коллекторного питания соответственно. Делитель на сопротивлениях R1 и R2 предназначен для подачи положительного смещения на базу транзистора. Сопротивление Rэ обеспечивает устойчивость работы усилителя, подбором которого корректируется коэффициент усиления мощности. Ср – разделительный конденсатор. Выходная П-образная цепь С3, С4, L2 осуществляет согласование выходного нагрузочного сопротивления транзистора с сопротивлением потребителя, а также подавление гармоник, начиная со второй; Ек – источник коллекторного питания.

Рис. 19 Маломощные усилители на биполярных транзисторах по вышеприведенной схеме могут иметь выходную мощность от 1 мВт до 1 Вт и коэффициент полезного действия (50– 70)%.

22.11.2014 52 - 56 Схема УМ с ОЭ В мощных усилительных каскадах в том же СВЧ-диапазоне сопротивление мощного биполярного транзистора составляет единицы и доли ом. Входной ток транзистора приближается к гармоническому за счет подавления высших гармоник индуктивностью входного электрода.

Схема мощного усилителя с транзистором, включенным по схеме с ОЭ, приведена на рис. 20. Цепь С1, L1, С2 представляет собой входную цепь согласования Т-образного вида, в которой продольная индуктивность L1 позволяет форму входного тока еще больше приблизить к гармонической. Выходная П-образная цепь согласования собрана на элементах С3, С4, L2. Назначение блокировочных и разделительных элементов то же, что и в схеме маломощного усилителя.

–  –  –

На рис. 21 приведена схема мощного усилителя на транзисторе с ОБ.

Назначение всех элементов аналогично назначению соответствующих элементов предыдущей схемы. Напряжение смещения в мощных каскадах устанавливается равным нулю, чтобы достичь максимальных полезной мощности P1 и коэффициента усиления мощности KP, высокого КПД при угле отсечки близком к 90°. Полезная мощность, развиваемая такими каскадами, больше 1 Вт.

Рис. 21

Схемы умножителей частоты Эффект умножения частоты основан на нелинейности характеристики транзистора за счет отсечки тока. Маломощные умножители работают в диапазоне до 100 МГц, и тогда можно не учитывать индуктивности выводов транзистора, емкости закрытого эмиттерного перехода и потерь в материале коллектора. Маломощные биполярные транзисторы обеспечивают выходную мощность до 0,1 Вт при удвоении частоты и до 0,01 Вт при утроении. Их КПД составляет 30–40%. Применяют умножители в основном в промежуточных каскадах передатчиков для одновременного усиления сигнала и увеличения его частоты.

22.11.2014 54 - 56 Умножители частоты Схема маломощного умножителя частоты аналогична схеме маломощного усилителя (см. рис. 19). Разница заключается в выборе параметров делителя R1, R2, задающего требуемый угол отсечки тока, и реактивных элементов выходной цепи для выделения второй или третьей гармоник.

Мощные транзисторные умножители работают в диапазоне частот от 100 МГц до 1000 МГц. На этих частотах необходимо учитывать и индуктивность выводов, и емкость эмиттерного перехода, и потери в коллекторе.

Схема мощного умножителя частоты приведена на рис. 22. Элементы входной цепи С1, С2 и L1 обеспечивают возбуждение транзистора гармоническим током, Rэ – сопротивление автоматического смещения.

Цепь на выходе умножителя С3, С4, L2, L3 обеспечивает трансформацию выходного сопротивления нагрузки транзистора (обычно сотни ом) в относительно низкоомное сопротивление потребителя, а также возбуждение следующего каскада гармоническим током.

Рис. 22 Транзистор в умножителе включен по схеме с ОБ, так как при этом достигаются более высокие энергетические показатели (P2 или P3, KP, ) по сравнению со схемой включения с ОЭ. В этом случае при возбуждении транзистора гармоническим током паразитная обратная связь через емкость коллекторного перехода отсутствует и не происходит уменьшения коэффициента формы импульсов выходного тока.

Мощные умножители частоты позволяют достичь величин выходной мощности до 2 Вт при удвоении частоты и до 0,1 Вт при утроении.

Коэффициент полезного действия их невелик, порядка 25–40%.

Библиографический список

1. Радиопередающие устройства: Учебник для вузов / Под ред. В.В. Шахгильдяна. – М.:

Радио и связь, 2003. – 560 c.

2. Петров Б. Е., Романюк В. А. Радиопередающие устройства на полупроводниковых приборах: Учеб. пособие для вузов. М.: Высш. шк., 1989.

3. М.С.Шумилин, В.Б. Козырев, В.А. Власов. Проектирование транзисторных каскадов передатчиков: Учеб. пособие для техникумов. М.: Радио и связь, 1987. -320 с.

4. Хиленко В. И., Малахов Б. М. Радиопередающие устройства. М.: Радио и связь, 1991.

5. Кириллов В. И. Многоканальные системы передачи: Учебник для вузов. М.: Новое знание, 2002.

=============================

03. А.А. Титов. Транзисторные усилители мощности МВ и ДМВ. – М.: Солон-Пресс, 2006. с.

04. М.С.Шумилин. Краткий толковый словарь терминов по основам курса радиопередатчиков. -М:, МТУСИ. 1996. 108 с.

5. Дингес С.И. Схемотехника РЧ блоков систем связи с подвижными объектами: Учебное пособие. -М:, МТУСИ. 2005. 23 c.

6. Дингес С.И. Радиопередающие устройства ССПО. Учебное пособие. Учебное пособие. М:, МТУСИ. 2003. 23 c.

–  –  –





Похожие работы:

«Внешняя политика Казахстана Сентябрь 2015 г. Содержание Два основополагающих принципа внешней политики Казахстана стр. 3 Стратегическое партнерство Казахстана стр. 4 Казахстан и Организация Объединенных Наций стр. 5 Казахстан и ОБСЕ стр. 7 Казахстан и СВМДА стр. 8 Казахстан и МАГ...»

«Щербатский В.Б., Кормышев В.М., Турлова О.В. Shcherbatsky V.B., Kormyshеv V.M., Turlova O.V.ИСКУССТВЕННЫЙ ИНТЕЛЛЕКТ В ЭЛЕКТРОННОМ ОБУЧЕНИИ СПЕЦИАЛИСТОВ ARTIFICIAL INTELLIGENCE IN E-LEARNING SPECIALISTS vbch45@mail.ru ФГАОУ ВПО "УрФУ имени первого Президента России Б.Н.Ельцина" г. Екатеринбург...»

«РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ (19) (11) (13) RU 2 593 867 C2 (51) МПК F04F 5/00 (2006.01) ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА ПО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ (12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ 2014142804/06, 24.1...»

«1 ОГЛАВЛЕНИЕ СЕКЦИЯ 1. "РОБОТОТЕХНИКА" Антонова З. Приложения теории графов Арестов С. Искусственный интеллект – реальность и перспективы Галимов Э. Роботы в жизни человека Галиева Р. Метод проектов – одна из составляющих здоровьесберегающих технологий в воспитании (и...»

«Л. В. Крошкина Иерархизм и старшинство в писаниях мужей апостольских В статье рассматриваются отношения пастырей и мирян в ранней церкви по текстам ближайших к апостольским временам источников — так называемым писаниям мужей апостольских. Принципы иерархизма и старшинства, которые могут бы...»

«Руководство по интеграции аппаратно-программных модулей 1. Руководство по интеграции аппаратно-программных модулей. Введение...................................... 4 2. Интеграция аппаратно-программных модулей с ПК Интеллект...........................»

«Манускрипт № 112 Библейские принципы даяния Др. Арнольд Г.Фрухтенбаум На основе радиослужения Переведено с разрешения миссии "Кехилат Ариел" и "Бет Ариел" Санкт-Петербург Россия Оглавление I. Введение A. Отношения между тем, что подарено, и тем, что дано на время. B. Основополагающая истина. C...»

«8 Когниция, коммуникация, дискурс. – 2015. – № 10. – С. 8–26. http://sites.google.com/site/cognitiondiscourse/ УДК: 81’37 СЕМАНТИКА И ПРАГМАТИКА: К ПРОБЛЕМЕ СООТНОШЕНИЯ ПОНЯТИЙ Л.Р. Безуглая 1 (Харьков, Укр...»

«№ 44 Сибирский психологический журнал 2012 г. УДК 159.922.72 ВОСПИТАТЕЛЬНОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ В СОВРЕМЕННОЙ РОССИЙСКОЙ СЕМЬЕ И ПОКАЗАТЕЛИ КРЕАТИВНОСТИ РЕБЕНКА: РОЛЬ ПОКОЛЕНИЙ Т.Н. Тихомирова (Москва) Исследование выполнено с использованием средств гранта Правительства Российской Федерации для государственной поддержки научн...»

«Ю. ЛЕВИН Замет и о "Машень е" В. В. Набо ова Первый набоковский роман кажется бесхитростным и тра диционным сочинением молодого автора, написанным, если искать генеалогию, в бунинском ключе *. Роман, как будто, держится, в первую очередь, на психологических нюансах ("парадоксальная диалектика любви", скажем) и...»

«Конспект урока литературы в 5 классе. Тема: "Особенности композиции и смысл названия сказки-были М.М. Пришвина "Кладовая солнца". Подготовка к сочинению". Цель: воспитание ценностного отношения к людям, к жизни через переосмысление текста и содержания произведения; рассмотреть жанровое своеобразие произведе...»








 
2017 www.lib.knigi-x.ru - «Бесплатная электронная библиотека - электронные матриалы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.