§ Понятие об обобщенном аэ

Семейство выходных и проходных характеристик тетрода и пентода:

i_вых

u_вых

i_вых

u_вх

1

2

u_{отсечки}

Рис.

С

i_к

u_к

i_к

u_бэ

u_{отсечки}

емейство выходных и проходных характеристик биполярного транзистора:

1

2

Рис.

Семейство выходных и проходных характеристик полевого транзистора:

i_стока

i_стока

1

2

u_стока

u_{затвора}

u_{отсечки}

Рис.

Первое основание подобия транзисторов и ламп – схожесть характеристик.

На выходных характеристиках выделяются две зоны: 1 и 2. Условно эти две зоны разделяет линия граничного (критического) режима (на рис. показана пунктиром).

1 зона – зона недонапряженного режима. Для нее характерно, что i_вых практически не зависит от u_вых , а зависит только от u_вх . i_вх резко возрастает и становится соизмеримым с i_вых .

2 зона – зона перенапряженного режима. Для нее характерно, что i_вых почти не зависит от u_вх , а определяется u_вых .

§ Iвых uвых iвых uвх uотсечки Рис. Апроксимированные характеристики обобщеного аэ

Для 1 зоны i_вых = S u_вх

S = - статическая крутизна АЭ.

Для 2 зоны i_вых = S_гр u_вых

S_гр = - граничная крутизна АЭ.

i_вых = S (U_вых - U_отс)

§ Основные уравнения и фазовые соотношения гвв

U_вх (t) = E_c + U_возб(t)

Если U_возб(t) = U_возб cos t , то U_{вх max} = E_c + U_возб

U_{вх min} = E_c  U_возб

() U_вых (t) = E_п – U_н(t) = E_п – i_вых(t) Z_н

Если выходная цепь согласования выполняет функцию фильтрации, то U_н(t) = U_н cos t .

Тогда U_{вых max} = E_п + U_н

U_{вых min} = E_п  U_н

U_вых = U_н , но противофазны.

В соответствии с переходной характеристикой i_вых синфазен с U_вх .

В соответствии с () U_вых противофазно U_н и соответствует U_вх .

§ Энергетические характеристики гвв

Это основные характеристики этих устройств.

1. Р_{ N} - выходная колебательная мощность N-ой гармоники.

2. Электронный КПД .

3. К_Р - коэффициент усиления по мощности.

Р₀ = I_вых.0 Е_п

Е_п = U_н(t) + U_вых(t)

В предположении гармонических процессов умножим левую и правую часть выражения на i_вых(t) и проинтегрируем в периоде:

i_вых(t) dt = U_н(t) i_вых(t) dt + U_вых(t) i_вых(t) dt

i_вых(t) dt = I_вых(t)

1. Запишем баланс мощностей АЭ.

P₀ = Р_{ Nн} + Р_рас.АЭ

P₀ – мощность источника питания.

Р_{ Nн} –выходная колебательная мощность N-ой гармоники в нагрузке.

Р_рас.АЭ – тепло.

Если цепь согласования выполняет функцию фильтрации, то колебательная мощность будет отнесена только к одной ганмонике:

Р_ = 0,5 U_нN  I_выхN  cos _N

Максимум этой функции имеет место при чисто активной нагрузке _N = 0.

Запишем баланс мощностей для входной цепи:

Р_возб = Р_с.о + Р_вх , где Р_с.о = Е_с I_вх.о

При Е_с  0 ; Р_с.о  0

Е_с  0 ; Р_с.о  0  источник становится потребителем.

2. _{электронный} = = =

3. _АЭ =

Р_накала – используется для ламп.

Как улучшить КПД?

_{электронный} =

- коэффициент использования напряжения.

 = 0,7...1

- коэффициент использования тока для N-ной гармоники.

Лекция № 10.

Кл. А - Ө = π ; АВ = π … π/2 ; В = π/2 ; С < π/2.

; ; = ;

; ; ;

α_n – коэф. Берга.

Физ. ограничения:

1. уменьш-е Ө при заданной мощности требует уменьш-е i_max , i_max < I_вых доп. АЭ.

2. для всех АЭ увелич-я I_вых связано с увелич-м U_вых АЭ, т.е. ξ<1, отсюда η уменьшается.

Режим нелинейный с отсечкой тока обеспечивает существенно больший КПД (почти в 3 раза).

Недостаток:

Наличие высшых гармоник в вых токе, который должены подавлятся вых. цепью согласования.

Как обеспечить Ө_opt ?

; wt=Ө; i_вых=0; => ;

Ключевой режим.

Выше 100 МГц не используется из-за наличия коммутационных явлений.

Наличие высших гармоник приводит к тому что η_э 81% (без учета инерционности).

§ Напряженность режимов ГВВ.

АЭ в ГВВ работает с нагрузкой и при изменяемых токах и напр во вх и вых цепи. Режимы работы АЭ с нагрузкой наз. динамическим режимом, и работа оценивается по дин. характеристикам – геом. место раб. точек АЭ, при изм-мых током и напряж-м на вх и на вых.

Дин. хар-ки:

-вх;

-вых;

-проходн-е.

Д ин. характеристика может находится только в области существования статических характеристик.

Снятие статических характеристик.

Рис. 5.

Если в течении всего периода колебаний раб. точка АЭ находится в области недонапрядённого режима, режим АЭ является недонапряжённым. Если раб. точка в течение любого короткого интервала периода заходит в обл. пренапр. р. , то такой режим – перенапряжённый.

П редположим:

Рис. 6.

Исп. дин. хар-ки мы можем определить в каком режиме должен работать АЭ. Е_п, R_H ,Ө - const. U_вых – var

Рис. 7.

§ Нагрузочные характеристики ГВВ.

Самый оптимальный граничный режим – режим с отсечкой тока электрода.

Лекция № 11.

§ Инженерный расчёт граничного АЭ элемента.

Дано: Р_~ , Δ f_раб ;

1. Выбор АЭ (по Р_~ и Δ f_раб в справочн.)

ВАХ, Е­_пит ; выбираем Ө (75⁰ => 90­⁰ ); α ₀(Ө) , α ₁(Ө) – из справочника. S_гр – определяем… ξ­_гр -?

Р_~ =0,5*U_н1 I_н1 – для первой гармоники.

U_н = ξ­_гр * Е­_п ; I_н1 = i_max * α ₁(Ө) ; i_max = S_гр * U_выхmin ; i_max = S_гр (Е­_п - U_н) = S_гр (1- ξ­ ) Е­_п ;

Р_~ =0,5 ξ­_гр Е­_п S_гр (1- ξ­_гр ) Е­_п α₁ (Ө) ;

“–” не имеет физ. смысла.

Для ламп:

S_гр = 1 ..

Для биполярных:

S_грбип =

2. U_н = ξ­_гр * Е­_п ; 3. I_н1 = 2Р_~ / U_н ; 4. i_max = I_н1 / α₁ (Ө) ; 5. I_{вых_0} = i_max *α₁ (Ө) ; 6. Р₀ =Е_п * I_{вых_0}

7. R_{э_гр} = U_н / I_н1 ; если работаешь на лампах, то это в районе кОм, на бипол. тр-ре это единици Ом.

§ Схемотехника генераторов с внешним возбуждением.

Цепи питания генераторов с внешним возбуждением.

Последовательное питание.

Напряжение смещено последовательно с напряжением возбуждения.

1. Мы должны обеспечивать такие цепи согласования которым обеспеч. протекание постоянных сост. токов во вх. и вых. цепях.

2. L_р – увеличиваем. сопротивление цепи питания -> чтобы перем. ток не тек.

3. R_вх у вых. согл. цепи должно R_вх = R_{0_гр} . выводим АЭ в граничный режим.

Для ламп:

Цепи согласов. нах-ся под напряж. исп. питания => Е_П = кВ => эл. изоляция элементов.

Х _СБЛ << r_un => либо Е₀ , либо Е_п .

Паралельн. схема питания.

В ысокого напряжения постоянного нет. Годятся любые цепи согласования.

Хуже:

согласование ;

большое число элементов;

большие номиналы.

4. Все паразитные емкости подключены || цепи согласования . В диап. ВЧ С_пар может быть порядка емкости цепи согласования.

Эта схема ограничена (особенно в лампах  R_эф – большое легче зашунтировать  10-ки МГц). В тр-рах R_эгр – мало, но все равно полоса не очень возрастает. R_добав – обусловлено выравниванием времени заряда и розряда емкости р-n перехода (≈1-10 Ом).

§ Заряд через откр. р-n переход

разряд через закр. р-n переход

Сопротевление в эмиттере не должно быть  только уменшение КПД. I_{вх_0} протекая через паралел. R₁ и R₂ создает на R₁ отрицательное смещение по отн. к смещ. кот. создается на R₁ с пом. делителя R₁ и R₂ => нужно учитывать. L_p– чтобы не пустить ВЧ ток входной на делитель, кот. обеспеч. Е_смещ .

§ Цепи согласования.

1. Z_пот  R_{э_гр} – транзистор сопротевления;

2. фильтрация гармоник;

3. η_max ;

4. Заданную АЧХ, ее стабильность.

5. Заданные уровни мощностей, токов и напряж.

Все сразу реализовать невозможно. Приоритеты выбирают исходя из случая. В промежут. усилителях – фильтрация не обяз. но зато тр-р сопр. обязательно. В предварит. формах АЧХ – важна. Выход. каскад – фильтрация обязательна + трансформация сопр. Разбивают на мелкие задачки (несколько цепей).

§ Резистивная цепь согласования.

Р₁ , Р₂ - коэф. вкл., η уменьшается, фильтр. нет, Р_~ уменьшается. Только в маломощных раб.

в кл. А.

2. Резонансная нагрузка, эта цепь узкополосн.

Лекция № 12.

§ Цепи согласования на реакт.-х 4-х полюсниках.

R` всегда больше чем R

Звено такого типа будет всегда трансформерующее преобр-ние R в R`. Нас интересует трансформация чисто активного сопротевления, поэтому заменим реактивное сопротевление на реактивное сопротевление противоположного характера, чтобы их компенсировать.

Это Г – образное звено обеспечивает трансформацию сопротивления R в большое сопротевление R`. Фильтрация гармоник в этом звене будет, т.к. контур имеет какуюто добротность, т.е. это колеб. контур. Чем выше добротность Q, тем уже полоса частот. П = f₀ / Q .

Если поменять местами L и C, то звено будет трансформировать большее сопротевление в меньшее:

Фильтрация высших гармоник выглядит так:

Когда хотим получить большие коэф.-ты трансформации (большое Q) получаем узкую полосу частот. Если же хотим получить большие коэф-ты трансформации и широкую полосу, то используют цепочку Г – образных звеньев с небольшими Q и широким полосами.

Если требуется трансформ-я соезмеримых и достаточно больших сопротивлений, то в этом случае исп-тся П – звено, т.е. 2 Г – образных звена вкл-ных встречно.

Трансф-ем: R в r ; r в R .

Задаемся Q = 3…10.

Рассчитываем r, а потом выбираем R .

Индуктивности L₁ и L₂ выполняются как одна суммирующая L_Σ.

Т_Σ - звено : при соизмеримых достаточно малых сопротивлениях. Фильтрующие св-ва П – звена лучше, чем у Т – звена т.к. окно начинается С. и заканчивается С (емкостью).

Если на ВЧ L < 20 нГн то в этом случае звено строится из соображений конструктивной реализуемости: мы принимаем какую-то конструктивно реализуемую индуктивность и ставим дополнительную емкость C_доп которое: | X_Cдоп | = | X_Lдоп |

Т.к. добавляется L увел., Q уменьшается полоса частот П. В диапазоне ВЧ необходимо учитывать параметры активных элементов, L и C (паразитные). При R_д 1,2 следует переходить к звеньям типа ФНЧ. R коэф.-т диапазона Z_вх ± Δ Z ; K_R ; R_д . Эти цепи более широкополосные.

§ Трансформаторные цепи согласования.

Трансформаторы линий (ТЛ) или Трансформаторы длинных линий (ТДЛ).

Трансформатор с магнитными связями – трансформирует сопротевление любое, но нет никакой фильтрации гармоник.

Недостатки: он ограничен по мощности и по частоте ( в связи с потерями в сердечнике).

На ВЧ их использовать нельзя. Конструктивно исполнить трансформатор, к-рый имеет малые L рассеивания нельзя.

Геометрическя длина линии должна быть менише λ/4. В этой линии токи I_л идут противонаправленно, т.е. суммарный ток равен нулю, нет магнитного потока, а значит не будет потерь в сердечнике. ρ = 3,2 …150 Ом.

Эти трансформаторы не реализют по постоянному тоеу гальванической развязки между генератором и нагрузкой. Это можно решить, поставив разделительную емкость.

По ВЧ развязка обеспечена ( считаем, что точки 1 и 3 не связаны с 2 и 4, это все равно что земля ( ) – в схеме). Но это приводит к тому, что между точками 1-2 и 3-4 сущ-ет продольный ток. Задаемся I_л >> I_лр чтобы небыло U_лр (I_лр) выполняем линию в виде индуктивностей, тогда I_лр очень маленький. Тогда ТЛ будет иметь вид:

Одиночный трансформатор не трансформирует. Рассмотрим трансформаторов, включенных последовательно:

Ферриты во всех трансформаторах разные, т.к. у них различные U_{продольные} . В N-м трансформаторе феррит не нужен, т.к. U_{продольные} умен. с первого трансформатора к N - трансформатору. Диапазон частот таких ТЛ до сотни МГц.

Полезные схемы ТЛ:

1. Простой фазоинвертор.

2. Схема, обеспечивающая переход от несимметричного входа к симметричному выходу.

3. Схема, обеспечивающая переход от симметричного входа к несимметричному выходу.

4. Удвоитель напряжения на одном трансформаторе.

Лекция.13.

Методы увеличения мощности ГВВ.

1. Паралельное соединение активных элементов.

2. Последовательное (или двухтактное) включение активных элементов.

3. Смешанное соединеие активных элементов.

4. Мостовое сложение мощностей .

5. Сложение мощностей в свободном пространстве.

П аралельное соединение активных элементов:

Особенности:

1. Требуется симметрия паралельных ветвей. Для этого вводится Rсим, которое компенсирует разброс параметров транзисторов.

2. Паразитные ёмкости активных элементов включены паралельно цепи согласования – получаем частотные искажения.

П оследовательное (или двухтактное) включение активных элементов:

1. =90 градусов.

2. Чётные гармоники выходных токов активных элементов в нагрузке встречные, их сумма равна нулю. Тоесть нет необходимости в фильтрации, в нагрузке только одна первая гармоника.

3. По первой гармонике нагрузка и активный элемент включены последовательно.

Выходные ёмкости активного элемента включены последовательно  их величина в два раза меньше  соответсвенно их влияние меньше.

Д ля этой схемы также требуется симметричность.

А налогичная схема, но с использованием трансформаторного возбуждения:

TV1: симметричный вход – несимметричный выход.

TV4: несимметричный вход – симметричный выход.

Четные гармоники на бесконечно большом входном сопротивлении могут создать большие всплески напряжения, что может пробить транзистор.

TV2 и TV3 обеспечивают пути протекания для четных гармоник.

Эта схема обладает большой широкополосностью и большим коэффициентом усиления.

Мостовое сложение мощностей.

М остовые схемы сложения в современной схемотехнике применяются наиболее часто. Они обеспечивают сложение мощности двух и более независимых генераторов. Мостовая схема лбеспечивает взаимную развязку генераторов. Тоесть если один генератор выходит из строя, схема будет продолжать работать, но с меньшей мощностью.

Для обеспечения розвязки мост должен быть сбалансирован:

;

;

Схема эта сугубо гипотетическая. На практике её реализовать нельзя.

Первый генератор имеет симметричный вход, второй генератор – нессиметричный вход.

С хема Т-моста:

Генераторы одинаковые. Через ток не протекает.

К аждый мост поворачивает фазу на 180 градусов. Мостовые устройства являются взаимными элементами. Поменяв местами генератор и нагрузку, можно получить не мост сложения, а мост деления.

М ногополюсный мост:

Блочно-модульный принцип построения передатчиков

МД – мост деления;

М - мост суммирования;

Е ще одна схема, состоящая из двух блоков:

На выходе получаем суммарную мощность.

Выходные каскады РПДУ

Два основных требования к выходным каскадам:

1. Максимальный КПД;

2. Осуществление фильтрации гармоник.

Каскад может строиться по простой либо по сложной схеме. Простая предпологает наличие одного звена цепи согласования, в которой параметры янтенны являются элементом этого звена.

Лекция.14.

П ростая схема

Условие резонанса:

1.

Укороченная антенна: .

Предпочтительнее третий вариант, т.к. в этом случае происходит фильтрация гармоник.

2. Согласование по сопротивлению:

;

- мощность, отдаваемая в антенну;

;

;

;

;

;

;

Добротность у ёмкости большая, чем у индуктивности.

;

;

=50..100;

=0.5…0.95.

Вывод: схема простая, но на практике применяется редко, т.к. в ней не обеспечивается фильтрация помех. Поэтому применяют сложную схему.