лекции по УГФС (25-30) / Лекция 25

Лекция 25

Генераторы – усилители АМ колебаний: возможные режимы усиления АМ колебаний, их сравнение. Основы инженерного расчёта усилителя АМ колебаний.

При усилении амплитудно-модулированных (АМ) колебаний на управляющий электрод АЭ ГВВ поступает напряжение возбуждения с переменной амплитудой

, (25.1)

где m_ВХ – коэффициент модуляции входного (подлежащего усилению) АМ колебания. Напряжение смещения при усилении АМ колебания остаётся неизменным.

Очевидно, результирующее мгновенное напряжение на входе АЭ усилителя АМ колебания имеет вид:

Как и при модуляции смещением, результирующее входное напряжение усилителя АМ колебания изменяется в соответствии с модулирующим сигналом. Но если при модуляции смещением это изменение происходит за счёт изменения смещения, то в усилителе изменение входного напряжения происходит за счёт изменения амплитуды высокочастотного сигнала возбуждения. В силу отмеченного сходства в изменении результирующего входного напряжения усилители АМ колебаний относятся к системам с модуляцией в цепи входного электрода (сетки, базы) и имеют много общих черт с амплитудно-модулируемыми генераторами смещением.

В процессе усиления АМ колебания огибающая амплитуды первой гармоники анодного (коллекторного) тока должна в точности совпадать с огибающей напряжения возбуждения, то есть АЭ ГВВ должен работать в таком режиме, чтобы существовала линейная зависимость

,

где А, k – постоянные величины.

Используя последнее выражение, нетрудно показать, что при A > 0 коэффициент модуляции тока m будет меньше коэффициента модуляции входного напряжения m_ВХ, а при A < 0, напротив, m будет больше m_ВХ. При A = 0 коэффициент модуляции выходного тока оказывается равным коэффициенту модуляции входного напряжения, то есть m = m_ВХ.

Зависимости I_A1(U_MC) рассматривались в лекции 8 (см. рис.8.6) для трёх случаев:¹ 1 – когда напряжение смещения более отрицательное, нежели напряжение отсечки, соответственно нижний угол отсечки анодного (коллекторного) тока θ < 90°; 2 – когда напряжение смещения равно напряжению отсечки и в этом случае нижний угол отсечки анодного (коллекторного) тока θ = 90°; 3 – когда напряжение смещения менее отрицательное, чем напряжение отсечки. В последнем случае нижний угол отсечки 90° < θ ≤ 180°. Эти зависимости показаны на рис.25.1. Так как рассматриваемые зависимости снимаются или рассчитываются при пошаговом изменении амплитуды напряжения возбуждения, то они называются статическими модуляционными характеристиками (СМХ) режима усиления АМ колебаний.² Из представленных зависимостей видно, что усиление АМ колебания принципиально возможно только в области недонапряжённого режима, когда анодный (коллекторный) ток растёт с ростом напряжения возбуждения.

Очевидно, при рассмотрении вопросов усиления АМ колебаний необходимо рассмотреть условия линейности СМХ при различных значениях нижнего угла отсечки анодного (коллекторного) тока и связь между коэффициентами модуляции выходного тока m и коэффициентом модуляции напряжения возбуждения m_ВХ.

Так как усиление АМ колебаний, как и модуляция смещением, возможно в недонапряжённом режиме, то аналитическое выражение СМХ при усилении АМ колебаний совпадает с выражением (24.10) СМХ модуляции смещением. Причём, если при модуляции смещением выражение (24.10) в неявном виде описывает СМХ, то при усилении АМ колебаний оно описывает СМХ режима усиления в явном виде.

Таким образом, при кусочно-линейной аппроксимации статических ВАХ анодного (коллекторного) тока уравнение СМХ для первой гармоники при усилении АМ колебаний имеет вид:

(25.2)

Вид СМХ зависит от выбранного угла отсечки анодного (коллекторного) тока в режиме максимальной мощности θ_МАКС.

Рассмотрим следующие случаи.

1. Нижний угол отсечки анодного (коллекторного) тока в режиме максимальной мощности θ_МАКС = 180°.

Положение рабочей точки на статической ВАХ, соответствующей такому режиму усиления АМ колебания, показано на рис.25.2.³

В этом случае нижний угол отсечки тока не изменяется при изменении амплитуды входного колебания, соответственно . Уравнение СМХ (25.2) принимает вид (в обозначениях лампового генератора)

. (25.3)

и, как видим, соответствует прямой линии, выходящей из начала координат. Крутизна модуляционной характеристики (тангенс угла наклона прямой линии)

. (25.4)

На рис.25.3 представлено семейство СМХ для рассматриваемого режима.

Очевидно, глубина модуляции анодного тока m равна глубине модуляции колебания во входной (сеточной) цепи m_С, в чём легко убедиться, используя (25.3) и учитывая, что

Аналогично для транзисторного усилителя: коэффициент модуляции коллекторного тока m равен коэффициенту модуляции входного (базового) напряжения: m = m_ВХ = m_Б. Так как у транзистора с большим основанием можно считать D = 0, соответственно R_i = ∞, то вместо семейства СМХ получаем одну характеристику, соответствующую представленной на рис.25.3 для R_oe/R_i = 0.

Линейность модуляционных характеристик и их большая крутизна S_MX являются достоинствами режима усиления АМ колебаний при θ_МАКС = 180°. Однако эти достоинства не могут быть использованы в мощных каскадах вследствие низкого значения КПД анодной (коллекторной) цепи в таком режиме. Этот режим успешно применяется в маломощных усилителях, в которых предъявляются особенно жёсткие требования к нелинейным искажениям, например, в маломощных ступенях многоканальных однополосных передатчиков.

2. Нижний угол отсечки анодного (коллекторного) тока в режиме максимальной мощности θ_МАКС = 90°.

Положение рабочей точки на статической ВАХ, соответствующей такому режиму усиления АМ колебания, показано на рис.25.4. Как и в предыдущем режиме, в этом случае нижней угол отсечки (анодного) коллекторного тока остаётся неизменным при изменении амплитуды входного колебания, соответственно

Уравнение СМХ (25.2) принимает вид:

. (25.5)

Как видим, СМХ по прежнему представляют прямые линии, выходящие из начала координат (рис.25.5). Однако крутизна модуляционных характеристик при этом меньше, чем в предыдущем случае. Так как СМХ выходят из начала координат, то коэффициент модуляции анодного (коллекторного) тока будет такой же, как у напряжения возбуждения, то есть

Линейное усиление АМ колебания и хороший при этом КПД анодной (коллекторной) цепи генератора являются большими достоинствами режима усиления при θ_МАКС = 90°.

Следует отметить, что нижний изгиб статических ВАХ i_A(e_C) или i_К (e_Б) почти не изменяет вид СМХ при малых значениях напряжения возбуждения. Дело в том, что при малых амплитудах возбуждения угол нижней отсечки растёт и крутизна СМХ, определяемая в общем случае согласно (25.2) выражением

,

остаётся практически неизменной, так как уменьшение статической крутизны S компенсируется ростом второго сомножителя с увеличением θ. Следовательно, уравнение (25.5) можно считать справедливым при любых значениях амплитуды напряжения возбуждения.

3. Нижний угол отсечки анодного (коллекторного) тока в режиме максимальной мощности θ_МАКС < 90⁰. В этом режиме, в отличие от двух предыдущих, нижний угол отсечки не будет оставаться неизменным, а будет уменьшаться с уменьшением амплитуды напряжения возбуждения. Положение рабочей точки, соответствующей такому режиму, показано на рис.25.6.

Сразу обращает на себя внимание следующая особенность рассматриваемого режима. Как видно из рис.25.6, если на вход подать колебание со 100% модуляцией (m_ВХ = 1), то как только амплитуда колебания станет равной интервалу между напряжением смещения – Е_С и напряжением отсечки –Е^/_С, анодный ток принимает нулевое значение и остаётся равным нулю при всех значениях амплитуды напряжения возбуждения, меньшей величины этого интервала. Следовательно, режим будет сопровождаться большими нелинейными искажениями, обусловливаемыми в первую очередь тем, что на входе сигнал есть, а на выходе некоторое время сигнала нет. Очевидно, чтобы выходной сигнал не исчезал, амплитуда напряжения возбуждения не должна становиться меньше величины

. (25.6)

Из этой особенности следует, что для получения 100% модуляции анодного (коллекторного) тока входное напряжение должно иметь коэффициент модуляции меньше 100%, который должен быть равен

, (25.7)

где U_{МС МИН} в случае лампового генератора определяется (25.6). В случае использования транзистора n-p-n – типа, если смещение в рабочей точке Е_Б > 0, то

(*)

если смещение отрицательное, то

. (**)

Таким образом, в рассматриваемом режиме имеет место углубление модуляции, при котором коэффициент модуляции выходного тока m получается больше коэффициента модуляции входного сигнала, то есть m > m_ВХ.

Если учесть, что у входного АМ колебания, например, в обозначениях лампового генератора,

(25.8)

и при D = 0

,

то получаем

. (25.9)

Так как для получения на выходе 100% модуляции должно быть θ_МИН = 0, соответственно cos θ_МИН = 1, то получаем соотношение

, (25.10)

позволяющее определить необходимую величину нижнего угла отсечки выходного (анодного, коллекторного) тока в максимальном режиме для получения на выходе m = 1 при заданном коэффициенте модуляции на входе m_ВХ = m_C = m_Б.

В данном режиме угол отсечки выходного тока при изменении амплитуды сигнала возбуждения будет изменяться в пределах 0 ≤ θ ≤ θ_МАКС, следовательно КПД анодной (коллекторной) цепи будет выше, чем в ранее рассмотренных случаях с θ_МАКС = 180° и θ_МАКС = 90°. Это достоинство режима усиления при выборе θ_МАКС < 90°.

Недостатком рассматриваемого режима являются большие нелинейные искажения. В данном режиме СМХ описывается общим уравнением (25.2), в котором сомножитель

изменяется нелинейно, несмотря на линейное изменение амплитуды сигнала возбуждения.

Как отмечалось, в частности при рассмотрении модуляции смещением, при θ < 60° зависимость γ₁(θ) нелинейна. Следовательно, СМХ рассматриваемого режима, особенно в своей нижней части, то есть в области малых углов θ, будет иметь существенно нелинейный характер. СМХ данного режима для двух значений θ_МАКС представлены на рис.25.7.

При D = 0 (R_i = ∞) на основании (25.2) для коэффициента модуляции выходного тока получаем выражение, которое с учётом (25.8) и (25.9) приводится к виду:

Если зависимость γ₁(θ) разложить в ряд по степеням cos θ и ограничиться двумя членами:

, (25.11)

то на основании последнего выражения, учитывая (25.9), получаем

. (25.12)

Соотношение (25.12) позволяет определить необходимую величину нижнего угла отсечки анодного (коллекторного) тока в режиме максимальной мощности при условии обеспечения необходимого соотношения между выходным m и входным m_ВХ = m_C = m_Б коэффициентами модуляции. В силу приближённости разложения (25.11) соотношение (25.12) является менее точным, чем (25.10) при 100% модуляции на выходе.⁴ Напомним, что оба соотношения (25.10) и (25.12) получены при принятии D = 0. Исследования показывают, что при R_oe/R_i = 1 для получения m = 1 при выборе θ_МАКС одинаковыми потребуется m_ВХ примерно на 10% больше по сравнению со случаем R_oe/R_i = 0 (D = 0).

Об углублении модуляции при выборе нижнего угла отсечки анодного (коллекторного) тока менее 90⁰ необходимо помнить и при разработке ГВВ – усилителя немодулированных колебаний. Если сигнал возбуждения такого усилителя имеет паразитную АМ, например, фон за счёт несовершенства источников питания, в том числе и питания коллектора от выпрямителя, то в каскаде произойдёт углубление паразитной АМ, что крайне нежелательно, если не недопустимо.

4. Нижний угол отсечки анодного (коллекторного) тока в режиме максимальной мощности 180° > θ_МАКС > 90°. Реализация такого режима на статической ВАХ показана на рис.25.8.

Как видно из рис.25.8, при значениях амплитуды напряжения возбуждения, не превышающей интервала между напряжениями отсечки –Е^/_С и смещения –Е_С , лампа (аналогично транзистор) работает в режиме колебаний первого рода, то есть с углом отсечки θ = 180°. При этом начальный участок СМХ имеет максимальную крутизну, определяемую (25.4), и представляет прямую линию, выходящую из начала координат, как в режиме с θ_МАКС = 180°. При превышении амплитудой входного сигнала указанного интервала между напряжениями отсечки и смещения лампа (транзистор) переходит в режим колебаний второго рода. При этом СМХ определяется общим выражением (25.2) и оказывается на этом участке нелинейной. Так как изменение угла отсечки происходит в сторону уменьшения от θ = 180°, то СМХ имеет выгиб вверх в силу подобного характера у зависимости γ₁(θ). В результате СМХ приобретает вид ломанной линии, как показано на рис.25.9.

В пределах 0 < U_MC ≤ U_{MC МИН} нижний угол отсечки анодного тока θ = 180°; в пределах

нижний угол отсечки .

Если D = 0, то U_{MC МИН} = Е^/_С – Е_С. В общем случае D ≠ 0 выражение для U_{MC МИН} можно получить, исходя из выражения (24.10), согласно которому, учитывая, что при θ = 180° cos θ = –1 , γ₁(θ) = 1, получаем

. (25.13)

В случае транзисторного усилителя U_{МБ МИН} = Е^/_Б – Е_Б.

Легко убедиться, что на участке , то есть в режиме колебаний второго рода, имеет место уменьшение глубины модуляции выходного (анодного, коллекторного) тока m по сравнению с глубиной модуляции входного напряжения.

Действительно, если, например, на участке аб (рис.25.9) принять крутизну СМХ постоянной S_МХ, то

Итак, мы рассмотрели возможные режимы усиления АМ колебаний. Какому же из них отдать предпочтение?

Очевидно, этот вопрос должен решаться с учётом конкретных обстоятельств. Необходимо лишь помнить, что при θ_МАКС = 180° и θ_МАКС = 90° модуляционные характеристики I_A1,K1(U_MC,МБ) практически линейны на всём протяжении от I_A1,К1 = 0 до I_{A1,К1 МАКС}. Следовательно, нелинейные искажения, вызываемые нелинейностью модуляционных характеристик, будут при этих режимах минимальны. Режим с θ_МАКС = 90° энергетически более выгоден, чем с θ_МАКС = 180°, поэтому он более целесообразен для мощных каскадов. Режим с θ_МАКС < 90° позволяет углубить модуляцию и, следовательно, даёт возможность работать в предварительных каскадах с относительно малой глубиной модуляции, что иногда оказывается важным, например, при невозможности усиления модулирующего сигнала до необходимого уровня для обеспечения 100% модуляции. При этом режиме возрастает КПД генератора, так как нижний угол отсечки выходного тока в режиме несущей частоты (режим молчания) получается значительно меньше 90⁰. Однако в модуляционной характеристике появляется небольшой криволинейный участок, который при 100% модуляции приводит к увеличению нелинейных искажений. Кроме того, при θ_МАКС < 90° может возникнуть углубление паразитной АМ, например, фона. Что касается режима, при котором 180° > θ_МАКС > 90°, то он является энергетически невыгодным и приводит к уменьшению глубины модуляции выходного сигнала относительно глубины модуляции сигнала возбуждения. Однако иногда целесообразно выбирать такой режим для спрямления общей модуляционной характеристики. Например, при осуществлении глубокой модуляции смещением в предварительном каскаде в нижней части модуляционной характеристики появляется выгиб вниз (см. лекцию 24), который может быть скомпенсирован выбором в последующем каскаде режима усиления АМ колебания с 180° > θ_МАКС > 90°, при котором у модуляционной характеристики обеспечивается выгиб вверх. Можно в предварительном каскаде реализовать режим с 180° > θ_МАКС > 90°, имея у модуляционной характеристики выгиб вверх и низкий КПД усилителя, а в последующем каскаде, более мощном, реализовать режим с углублением модуляции при выборе θ_МАКС < 90°, имея у модуляционной характеристики каскада выгиб вниз и большой КПД усилителя. В итоге можно получить достаточно линейную общую (суммарную) модуляционную характеристику и высокий суммарный КПД. Естественно, настройка многокаскадного устройства сложнее.

Так как устройства для усиления АМ колебаний относятся к системам с модуляцией в цепи управляющего электрода (сетки, базы), то в энергетическом отношении режимы усиления АМ колебаний и модуляции смещением эквивалентны. Оба эти режима осуществляются в недонапряжённом режиме работы генератора и только для режима максимальной мощности допускается критический режим. В обоих случаях средний за период модуляции КПД анодной (коллекторной) цепи генератора определятся главным образом режимом несущей частоты:

,

где m – среднестатистическое значение коэффициента модуляции выходного тока.

АЭ (лампа, транзистор) для усилителя АМ колебаний выбирается, исходя из мощности максимального режима

,

где m – максимальный коэффициент модуляции выходного тока (m = 1).

При определении номинальной мощности АЭ необходимо учитывать КПД контура (цепи согласования).

Выбрав соответствующий режим усиления по θ_МАКС, производят расчёт максимального режима, принимая . Выбор способствует линейности режима усиления в верхних точках модуляционной характеристики.

Найденное при расчёте максимального режима смещение определяет рабочую точку и обязательно подаётся от источника. При автоматическом смещении будут искажения модуляции, что недопустимо. Напряжение возбуждения максимального режима позволяет определить амплитуду напряжения возбуждения в режиме несущей частоты (молчания)

,

где m_С,Б = m_ВХ = m при выборе θ_МАКС = 180° и θ_МАКС = 90° и m_С,Б = m_ВХ < m при выборе режима с углублением модуляции θ_МАКС < 90°. Энергетические параметры режима несущей частоты рассчитываются как и при модуляции смещением в предположении линейности усиления. Напомним, что напряжение смещения в режиме несущей частоты в данном случае не рассчитывается, так как оно найдено при расчете максимального режима и остаётся неизменным. При модуляции смещением неизменным оставалось напряжение возбуждения.

Методика настройки усилителя АМ колебаний такая же, как и генератора с модуляцией смещением. При этом важным является снятие СМХ вида I_КОНТ (U_MC,МБ), непосредственно связанной с СМХ I_A1,K1(U_MC,МБ). Если нет возможности снять такую СМХ, то можно использовать СМХ вида I_A0,K0(U_MC,МБ).

Вопросы для самоконтроля знаний по теме лекции 25:

1. Запишите выражения для результирующего мгновенного входного напряжения генератора с модуляцией смещением и усилителя АМ колебаний. Сопоставьте эти выражения. Что в них общего? В чём различие?

2. Поясните, почему при θ_МАКС = 90° можно считать, что нижние загибы («хвосты») статических ВАХ вы- ходного тока АЭ (лампы, транзистора) практически не обусловливают изменение крутизны СМХ усили- теля. Пояснение сопроводите соответствующим рисунком.

3. Как можно подтвердить, что при усилении АМ колебания в режиме с θ_МАКС < 90° с уменьшением ампли- туды напряжения возбуждения нижний угол отсечки анодного (коллекторного) тока уменьшается?

4. Покажите справедливость соотношений (*), (**).

5. Как изменится СМХ рис.25.7 при увеличении R_oe?

6. Поясните, используя ДХ анодного тока, что с увеличением R_oe /R_i возрастает U_{МС МИН} (25.13).

7. Дайте характеристику возможных режимов усиления АМ колебаний. Какому режиму вы отдаёте пред- почтение и почему?

8. Покажите графически возможность спрямления суммарной СМХ при каскадном включении усилителей АМ колебаний с θ_МАКС > 90° и θ_МАКС < 90°.

1 Напомним, что у транзисторного ГВВ зависимости I_К1(U_МБ) подобны зависимостям I_A1(U_MC).

2 Зависимости постоянной составляющей выходного тока от амплитуды напряжения возбуждения, как и любого другого параметра генератора, также являются СМХ режима усиления АМ колебаний.

3 Вообще при работе генератора ток изменяется по закону динамической ВАХ (динамической характеристики – ДХ). ДХ проходит через рабочую точку на статической ВАХ при отсутствии входного колебания (сигнала). Если D = 0, то в области недонапряжённого режима ДХ совпадает со статической ВАХ. Поэтому для упрощения рис.25.2 и большей наглядности принято D = 0. В общем случае крутизна ДХ при кусочно-линейной аппроксимации статических ВАХ определяется (5.2) (см. лекцию 5).

4 При m = 1 согласно (25.12) , что отличается от (25.10).

160