Peuppips

6. Выходные каскады усиления радиопередатчиков.

Как уже отмечалось, выходные каскады решают задачу доведения мощности передатчика до требуемого значения и согласованной ее передачи в антенну. При автономном питании передатчика одним из важных параметров является его коэффициент полезного действия,

где — номинальная выходная мощность передатчика; s

— мощность, потребляемая от источника питания;

— мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора. Упрощенная схема выходного каскада в общем случае имеет вид, изображенный на рис. 3.12.

Рис. 3.12. Принципиальная схема выходного (буферного) каскада

Принцип действия

Выходные каскады в передатчиках могут работать в одном из трех режимов усиления: режиме класса А; режиме класса В; режиме класса С. Рассмотрим их последовательно.

Режим класса А характеризуется тем, что коллекторный ток транзистора выходного каскада протекает в течение всего периода колебаний усиливаемого сигнала (рис. 3.13). Для этой цели на базу транзистора с помощью делителя R1R2 подается такое напряжение смещения, при котором, в отсутствие входного сигнала, ток коллектора был бы равен

максимальной амплитуде коллекторного тока при наличии входного сигнала . Исходное положение транзистора при отсутствии входного сигнала называется рабочей точкой (РТ).

Рис. 3.13. Режим класса А

На рис. 3.13, а изображено семейство идеализированных выходных характеристик транзистора, представляющих собой зависимости коллекторного тока от напряжения на коллекторе, для различных токов базы. Наклонная линия на графике представляет собой динамическую нагрузочную прямую, отражающую зависимость тока через нагрузку усилителя (колебательный контур) от напряжения на контуре.

7.Основные характеристики усилителей мощности радиопередатчиков, требования, предъявляемые к ним

Возбудители современных радиопередатчиков являются маломощными устройствами. Это объясняется тем, что при малых уровнях сигналов легче обеспечить требуемую стабильность частоты и высокую степень подавления побочных колебаний. Мощность возбудителей обычно не превышает 10 - 40 мВт, столь малая мощность не позволяет обеспечивать радиосвязь на требуемое расстояние при заданной надежности.

Поэтому сигналы, формируемые в возбудителе, усиливаются в усилительном тракте радиопередатчика, основное назначение которого состоит в обеспечении необходимой мощности в передающей антенне. Величина этой мощности зависит от многих факторов:

-от требуемой дальности связи,

-требуемой надежности связи,

-вида используемого сигнала,

-типа передающих антенн и т.д.

Усилительный тракт радиопередатчика может включать в себя ряд последовательных каскадов или ступеней усиления. Последний каскад усилительного тракта, развивающий заданную мощность в нагрузке (антенне) называется выходным или оконечным каскадом, а все предшествующие - промежуточным каскадом. Каждый каскад усилительного тракта является усилителем мощности, поэтому термин "усилитель мощности" может относиться как ко всему усилительному тракту, так и к отдельному его каскаду. Каскад усиления мощности иногда называют генератором с внешним возбуждением.

Несмотря на то, что и промежуточные каскады, и выходной каскад являются усилителями мощности, требования которые к ним предъявляются различны.

Поэтому рассмотрим отдельно принципы построения выходных и промежуточных каскадов. Причем это рассмотрение целесообразно начать с выходных каскадов, так как именно они определяют необходимость применения в данном конкретном передатчике промежуточных усилителей мощности.

ВЫХОДНЫМ или ОКОНЕЧНЫМ называется последний, самый мощный каскад усилительного тракта передатчика, основное назначение которого - в обеспечении в нагрузке (антенне) заданной мощности. Этот каскад является основным потребителем энергии источников питания, поэтому он должен работать q высоким КПД. КПД выходного каскада в значительной мере определяет КПД всего радиопередатчика, габариты и массу источника питания.

Таким образом, выходной каскад должен удовлетворять следующим основным требованиям:

- мощность в антенне на любой частоте диапазона и при работе на различные типы антенн должна быть не менее требуемой

-мощность в антенне должна обеспечиваться при возможно большем КПД = Ра/Рпер.

-выходной каскад должен обеспечивать высокую фильтрацию

побочных колебаний и, прежде всего, колебаний на гармониках основной частоты.

Помимо указанных основных требований к выходному каскаду предъявляются и другие:

-высокая надежность и устойчивость работы в заданных условиях эксплуатации

-простота схемы

-минимальное время настройки каскада и др.

До последнего время выходные каскады передатчиков выполнялись в виде ламповых усилителей, однако разработка мощных ВЧ транзисторов создала реальные возможности создания радиопередатчиков на транзисторах (в радиопередатчиках большой мощности возможно частичное использование транзисторов, например в промежуточных каскадах.)

Применение транзисторов позволяет улучшить эксплуатационные показатели радиопередатчиков, повысить их надежность, уменьшить габариты и массу, обеспечить практически мгновенную готовность передатчика к работе, повысить безопасность обслуживающего персонала.

Выходные каскады ламповых усилителей, в которых анод лампы связан с антенной многоконтурной избирательной системой, принято называть выходным каскадом сложной схемы.

Обычно количество контуров в выходных каскадах сложной схемы не превышает двух.

Усилительный тракт радиопередатчика может иметь в себе ряд последовательных каскадов или ступеней усиления. Последний каскад усилительного тракта, развивающий заданную мощность в нагрузке (антенне) называется выходным или оконечным, а все предшествующие - промежуточными каскадами.

К основным характеристикам усилителей мощности относятся:

Где U1, I1, P1 - напряжение, ток и мощность сигнала на входе усилителя, a U1, I2, Р2 - те же величины на выходе.

kобщ = U2 / U1 = U2 / U2,3 * U2,3 / U1,2 * U1,2 / U1=> kобщ = k1 k2 k3 …

Диапазон усиливаемых частот (полоса пропускания) - это некоторый интервал значений частоты от Fn (нижняя частота) до F (верхняя частота) внутри которого коэффициент усиления изменяется в допустимых пределах.

Выходная мощность. В зависимости от назначения усилителя его выходная мощность может быть от сотых долей до сотен Ватт. Максимальная мощность, которую можно получить на выходе усилителя при условии, что величина искажений выходного сигнала не превышает заданных значений, называется номинальной мощностью. Эта мощность указывается в техническом паспорте усилителя.

Коэффициент полезного действия (КПД) - отношение полезной мощности, отдаваемой усилителем в нагрузку к суммарной мощности, потребляемой от источников питания.

Для транзисторных усилителей КПД, в зависимости от режима работы оконечного каскада, может быть 40-50%. Для ламповых 12-14%.

· Искажения, вносимые усилителем. Качество усилителя определяется степенью искажений, вносимых усилителем при усилении входного сигнала. Под искажением следует понимать изменение формы выходного сигнала по сравнению с формой входного.

Любой усилитель в той или иной степени искажает сигнал, поданный на его вход. При расчете усилителя определяют параметры и режимы работы усилительных элементов, при которых искажения не будут превышать значений, допустимых техническими условиями. В зависимости от причин, вызывающих изменение формы выходного сигнала искажения могут быть линейными и нелинейными. Линейные обусловлены влиянием реактивных элементов усилителей: емкостей, индуктивностей. Нелинейные искажения возникают в результате нелинейности характеристик усилительных приборов и характеристик намагничивания сердечников трансформаторов

·Линейные искажения существуют трех видов:

1.Частотные

2.Фазовые

3.Переходные

·Частотные искажения - искажения, обусловленные изменением коэффициента усиления усилителя на разных частотах входного сигнала. В усилителях они возникают за счет наличия реактивных элементов - сосредоточенных и рассредоточенных индуктивностей и емкостей. В усилителях звуковых частот частотные искажения изменяют тембр звучания.

·Фазочастотные искажения. В реальных условиях на вход усилителя поступает сложный сигнал, состоящий из основной частоты и ряда гармонических составляющих. При прохождении такого сигнала через каскады усилителя за счет его реактивных элементов (емкостей и индуктивностей) возникает фазовый сдвиг.

Если углы сдвига фаз составляющих сложного сигнала пропорциональны их частотам, или, время запаздывания для всех частот будет одинаковым, искажений сигнала не будет.

Если эта пропорциональность нарушается, то есть время запаздывания различных частотных составляющих сигнала при прохождении через усилитель будет различным, то форма сигнала будет искажена. Такие искажения называют фазовыми.

В усилителе звуковых частот фазовые искажения обычно не учитываются. В усилителях телевизионных, предназначенных для усиления визуально наблюдаемых сигналов, фазовые искажения сильно искажают воспроизводимое изображение.

·Переходные искажения возникают в усилителях импульсных сигналов. Они характеризуются переходными процессами установления токов и напряжений в усилителях, содержащих реактивные элементы.

·Heлинейные искажения - искажения формы выходного сигнала, вызванные нелинейностью выходных и входных характеристик усилительных приборов, а также характеристик намагничивания сердечников трансформаторов.

·Динамический диапазон сигнала представляет собой превышение максимального уровня сигнала над его минимальным уровнем.

При преобразовании звука в электрический сигнал динамический диапазон может сохраняться или несколько сжиматься за счет ограничения его максимального значения.

Для обеспечения высокого качества воспроизведения динамический диапазон усилителя должен быть не меньше динамического диапазона сигнала.

8. Активные элементы в усилителях мощности.

Активные элементы - электронные лампы и транзисторы, предназначены для прямого усиления (увеличения амплитуды) проходящего сигнала. Характеризуются нормированным коэффициентом усиления, имеющим зависимость от рабочего тока, напряжения.

По типу используемых активных элементов усилители делятся на ламповые; транзисторные; диодные; параметрические; СВЧ-усилители, работающие с помощью специальных СВЧ-приборов и др.

Режимы работы активных элементов часто называют классами усиления. Количественно режимы усиления для синусоидального сигнала характеризуют углом отсечки 6 - половиной той часги периода, в течение которой через выходную цепь активного элемента проходит ток. Угол отсечки выражают в градусах или радианах. [1]

Меняя типы и режим работы активных элементов, типы, число и схемы соединения пассивных элементов, получают разнообразные электронные каскады, с помощью которых проводятся преобразования сигналов. Для удобства анализа используют принципиальные схемы каскадов, на которых в соответствии с ГОСТами указывают все элементы, входящие в каскад, и соединения между ними. [5]

Коэффициент усиления усилителя можно изменять, меняя режим работы активного элемента. При этом изменяются параметры активного элемента, а следовательно, и коэффициент усиления соответствующего каскада. В транзисторах она неудобна из-за схем температурной стабилизации. Указанная регулировка почти не влияет на частотные характеристики и дает возможность дистанционно управлять усилением.

При исправном состоянии всех элементов и их соединений подбор режима работы активных элементов обеспечивает нормальную работу многих радиоэлектронных устройств: усилителей низкой частоты, выпрямителей, мультивибраторов, триггеров и др. Но многие радиоэлектронные изделия содержат избирательные устройства, которые должны иметь определенную форму частотной характеристики. Отдельные звенья избирательных устройств могут быть рассчитаны на максимальное усиление или подавление той или другой полосы частот и иметь органы регулирования резонансной частоты и полосы пропускания.

В зависимости от величины выходной мощности изменяются схемы усилителей мощности и режимы работы активных элементов. При усилении достаточно широкого спектра частот в усилителях малой мощности используют однотактные схемы, в остальных случаяхдвухтактные. В однотактных схемах активные элементы работают в линейном режиме, а в двухтактных схемах-в нелинейном режиме.

9. Режимы работы активного элемента в усилителях мощности.

Меняя типы и режим работы активных элементов, типы, число и схемы соединения пассивных элементов, получают разнообразные электронные каскады, с помощью которых проводятся преобразования сигналов. Для удобства анализа используют принципиальные схемы каскадов, на которых в соответствии с ГОСТами указывают все элементы, входящие в каскад, и соединения между ними. [5]

Коэффициент усиления усилителя можно изменять, меняя режим работы активного элемента. При этом изменяются параметры активного элемента, а следовательно, и коэффициент усиления соответствующего каскада. В транзисторах она неудобна из-за схем температурной стабилизации. Указанная регулировка почти не влияет на частотные характеристики и дает возможность дистанционно управлять усилением. [6]

При опытном производстве, когда подбираются и уточняются режимы работы активных элементов, возможно варьирование сопротивлений различных резисторов, и нужно отчетливо представлять их влияние на работу каскада. [7]

Затем выбирают начальную рабочую точку 3, которая характеризует режим работы активного элемента в отсутствие сигнала. [8]

При исправном состоянии всех элементов и их соединений подбор режима работы активных элементов обеспечивает нормальную работу многих радиоэлектронных устройств: усилителей низкой частоты, выпрямителей, мультивибраторов, триггеров и др. Но многие радиоэлектронные изделия содержат избирательные устройства, которые должны иметь определенную форму частотной характеристики. Отдельные звенья избирательных устройств могут быть рассчитаны на максимальное усиление или подавление той или другой полосы частот и иметь органы регулирования резонансной частоты и полосы пропускания. [9]

Взависимости от величины выходной мощности изменяются схемы усилителей мощности и режимы работы активных элементов. При усилении достаточно широкого спектра частот в усилителях малой мощности используют однотактные схемы, в остальных случаях-двухтактные. В однотактных схемах активные элементы работают в линейном режиме, а в двухтактных схемах-в нелинейном режиме.

Взависимости от положения начальной рабочей точки на характеристиках активных элементов и амплитуды усиливаемого сигнала различают три основных режима работы усилительного каскада: А, В и С.

Режимы работы активных элементов часто называют классами усиления. Количественно режимы усиления для синусоидального сигнала характеризуют углом отсечки 6 — половиной той части периода, в течение которой через выходную цепь активного элемента проходит ток. Угол отсечки выражают в градусах или радианах.

Режим А. В этом режиме начальная рабочая точка А находится примерно в середине линейной части проходной характеристики /к = = f(UyX а амплитуда сигнала такова, что, как видно из рис. 18.11, ток в выходной цепи протекает в течение всего периода сигнала. Угол отсечки 6 равен 180°. (Отметим, что характеристики даны для усилителя с транзистором типа р-п-р по схеме с ОЭ.)

Транзистор работает в активном режиме. Рабочая точка А, перемещаясь по нагрузочной линии, не выходит за пределы точек 1 и 2 на нагрузочной линии (см. рис. 18.10, в, точка А). При работе ниже точки 2 транзистор переходит из активного режима в режим отсечки, а при работе выше точки 1 — в режим насыщения. Из-за большого тока покоя к. п. д. в этом режиме низкий, менее 50 %. Это основной недостаток рассматриваемого режима. В режиме А активный элемент работает почти без искажений, а форма выходного сигнала соответствует форме входного. Режим А используют в основном в каскадах предварительного усиления.

Режим В. Начальная рабочая точка А лежит в начале проходной характеристики (рис. 18.12). Ток коллектора проходит через активный