Схемы усилителей мощности

На рис. 2.21 изображена возможная схема мощного транзисторного усилителя с общим эмиттером. Здесь С₁, С₅—разделительные емкости, L₁ С₂— входная, L₃, С₄— выходная Г-образные согласующие цепочки, L₂ — блокировочный дроссель, С₃ — бло­кировочная емкость. Сопротивления R_1} R₂ играют троякую роль: 1) образуют делители напряжения для подачи постоянного фиксированного смещения на базу; 2) обеспечивают автосмещение, равное I_б0R1R2/(R1+R₂); 3) корректируют частотную характеристику транзистора (для этого нужно, чтобы R1R2/(R1+R₂)= R3 В данной схеме применена п араллельная система питания и комбинированная система смещения. Для увеличения коэффициента передачи мощности применяюn многокаскадные УМ. С ростом частоты (при f≥0,7...0,9 ГГц) в качестве элементов согласующих цепей иногда используют межэлектродные емкости транзисторов и индуктивности их выводов.

На рис. 2.22, а представлена схема двухкаскадного усилителя большой мощности дециметрового диапазона длин волн. Входная согласующая цепь образована емкостями С₁, С₂, входной емкостью С_вх1 и индуктивностью L_BX1 транзистора VT₁. Антипаразитные конденсаторы большой емкости С₄, С₈ (больше 0,05 мкФ) шунтируют на низкой частоте цепи, подключенные к выходным электродам транзисторов, препятствуя возбуждению в них паразитных низкочастотных колебаний. На СВЧ конденсаторы С₄, С₈ представляют собой значительные индуктивности (обкладок и выводов) и практически не оказывают влияния на согласующие цепи. Межкаскадная согласующая цепь включает выходную емкость С_к1, индуктивность коллекторного вывода L_K1 транзистора VT₁, емкости конденсаторов С₅, С₆, входную емкость С_вх2 и индуктивность L_вх2 транзистора VT₂. Выходная цепь согласования образована коллекторной емкостью С_К2 транзистора VT₂, индуктивностью вывода его коллектора L_K2 и емкостями конденсаторов С₉, С₁₀.

U*

Резисторы R1 и R₂ играют роль сопротивлений автосмещения и антипаразитных сопротивлений. На СВЧ они практически отключены от цепей усилителя благодаря блокирующему действию индуктивностей их выводов. Индуктивности L₁ L₂ и конденсаторы С₃, С₇ блокируют источник питания по СВЧ. С помощью резистивных делителей напряжения RзR₄ и R₅R₆ измеряются постоянные составляющие коллекторных токов обоих транзисторов с целью контроля их работоспособности.

В о многих случаях мощность колебаний передатчика превышает мощность, которую способен отдать одиночный АЭ. Для увеличения выходной мощности суммируют мощность отдельных АЭ. Одним из способов суммирования является параллельное включение АЭ.

П ри параллельном включении АЭ увеличение выходной мощности происходит за счет того, что суммарный выходной ток равен сумме выходных токов отдельных АЭ. Используют параллельное включение полупроводниковых ячеек в одном кристалле, нескольких кри­сталлов на одном кристаллодержателе, корпусированных АЭ. Наиболее широко применяется первый вариант, например современные мощные транзисторы, имеют в своем составе до нескольких тысяч параллельно соединенных ячеек. Получил распространение второй ва­риант, реже применяется третий. Ограничение числа параллельно включенных АЭ обусловлено: уменьшением действительной части входного сопротивления и оптимального сопротивления нагрузки АЭ, что затрудняет построение согласующих цепей; неравномерностью распределения тока и напряжения по элементам структуры, в результате чего эффективность суммирования мощности снижается. Двухтактное включение активных элементов. В современных ра­диопередатчиках широко применяют двухтактные усилители мощности. Двухтактный УМ — это объединение двух обычных усилителей, имеющих общую нагрузку и возбуждаемых в противофазе (рис. 2.18). Важно отметить, что выходные токи обоих АЭ протекают че­рез нагрузку (первичную обмотку трансформатора на рис. 2.18) в противоположных направлениях. Выходная мощность двухтактного УМ равна сумме мощностей двух его плеч и при их идентичности в два раза больше мощности одного усилителя.

Важной задачей является обеспечение работоспособности усилителя с суммированием мощностей при изменениях токов и напряжений любого АЭ. Для решения этой задачи применяют мостовые устройства, в которых режим работы каждого АЭ не зависит от режимов работы других АЭ, т. е. все активные элементы взаимно развязаны. Мостовым устройством называют многополюсник, с помощью ко­торого осуществляется совместная и взаимно независимая работа двух (и более) источников колебаний на общую нагрузку. В зависимости от фазовых соотношений между отдельными источниками раз­личают синфазные, противофазные, квадратурные мосты.

П ринцип работы мостового устройства может быть пояснен на примере схемы, изображенной на рис. 2.2. Легко заметить, что токи двух синфазных источников складываются в сопротивлениях R2, R4 и вычитаются в сопротивлениях R₁R ₃. При выполнении условия R₁= R₂=R₃=R₄ напряжение, создаваемое одним источником в точках подключения другого источника, равно нулю. В результате каждый источник работает на постоянное сопротивление, не зависящее от режима другого источника.

Если U'=U", то через сопротивления R₁ и R₃ токи не протекают, а вся мощность выделяется на сопротивлениях R₂, R₄, которые являются нагрузочными. Если U'≠U", то часть мощностей обоих источников рассеивается в сопротивлениях R_l1 R₃, называемых балластными, из-за протекания по ним разностных токов.

В ажным свойством мостовых устройств является сохранение высокого коэффициента передачи мощности (Р_н и Р_б—мощность, рассеиваемая соответственно в нагрузочных и в балластных сопротивлениях) при изменении соотношений амплитуд и фаз обоих источников. Например, при уменьшении отношения U''/U' от 1 до 0,5 или увеличении фазового сдви­га между колебаниями от 0 до 40° уменьшается лишь на 10 %. При практическом использовании схемы суммирования мощностей рис. 2.25 нужно учесть, что обычно имеется один нагрузочный элемент (а не два, как на рис. 2.25). Кроме того, желательно, чтобы оба источника и нагрузка имели общую точку (нулевой потенциал). Реальные мостовые устройства выполняются на трансформаторах, LC-элементах или линиях с распределенными параметрами.

На рис. 2.26 изображена схема синфазного мостового устройства на основе трансформаторов-линий. Взаимная независимость источников и широкополосность моста обеспечиваются соответствующим выбором балластного сопротивления R₆ и волновых сопротивлений линий :. . Возможная схема синфазного мостового устройства с применением LC-элементов представлена на рис. 2.27. Здесь использованы две П-образные цепочки, причем wL1=wL₂ = l/(wC₁) = 1/(wС₃) = 2/(wC2) = X. Для взаимной развязки обоих источников требуется выполнение условий : R_б = 2 R_H, X = Rн.

11