1.3 Основные характеристики усилителей мощности радиопередатчиков

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:

• Коэффициенты   усиления   выражают   усилительные   свойства усилителя:

К ним относятся коэффициенты усиления:

1.  Напряжения     k_U =U₂ / U₁

2.              Тока          k_I =I₂ / I₁

3.              Мощности          k_P =P₂ / P₁      

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

k_общ = U₂ / U₁ = U₂ / U_2,3 * U_2,3 / U_1,2 * U_1,2 / U₁=> k_общ = k₁ k₂ k₃ …

• Диапазон усиливаемых частот (полоса пропускания) - это не­который интервал значений частоты от F_n (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.

Режимы работ усилительных элементов

В зависимости от формы импульса анодного тока различают три режима работы усилителя мощности:

1.  Недонапряженный

2.              Перенапряженный

3.              Граничный

Усилительный тракт передатчика включает в себя Один-два отно­сительно маломощных усилительных каскада, называемых промежу­точными, и усилитель мощности, связанный через устройство согласования с антенной, который в этом случае называется выходным каскадом.

Хотя требования к мощному усилительному каскаду и к промежу­точным каскадам несколько различны, физические процессы в них и энергетические соотношения одинаковы. Поэтому вначале будем рас­сматривать усилитель мощности как таковой, не связывая его с местом включения в усилительный тракт. В дальнейшем будут рассмот­рены особенности работы усилителя мощности в роли промежуточно­го или выходного каскада.

Усилителем мощности колебаний высокой частоты называется устройство, преобразующее энергию источника постоянного тока в энергию высокочастотных колебаний. При этом частота колебаний выходного напряжения определяется как амплитудой входного на­пряжения, так и параметрами схемы самого усилителя.

Усилители мощности строятся как на лампах, так и на транзисто­рах.

НЕДОНАПРЯЖЕННЫЙ РЕЖИМ РАБОТЫ УМ

Режим, определяется питающими напряжениями, напряжением возбуждения и сопротивлением нагрузки, а в целом - формой дина­мической характеристики анодного тока усилителя.

Режим работы усилителя, при котором импульс имеет остроконеч­ную (синусоидальную) вершину, называется недонапряженным ре­жимом. Этот режим характеризуется малыми токами в цепях сеток.

 

 ПЕРЕНАПРЯЖЕННЫЙ РЕЖИМ РАБОТЫ УМ

Если импульс тока имеет впадину, изображенную на рисунке, то режим усилителя называется перенапряженным. В зависимости от степени провала в импульсе различают слабоперенапряженный и сильноперенапряженный режимы.

 

ГРАНИЧНЫЙ РЕЖИМ РАБОТЫ УМ

Промежуточное положение занимает граничный режим. В реаль­ных условиях работы усилителя мощности импульс тока в граничном режиме имеет плоскую вершину.

Основными параметрами импульса анодного тока является им­пульс Im , угол нижней отсечки φ, угол верхней отсечки φ₁, и угол отсечки φ₂, характеризующий провал в импульсе анодного тока в сильно перенапряженном режиме.