3.1. Задачи проектирования и реализации

усилителей мощности

Усилители мощности, в которых АЭ работают в режимах с отсеч­кой тока и которые имеют хорошие энергетические характеристики, широко используются в выходных каскадах высокочастотных пере­датчиков. Простейшие схемы усилителей мощности (см. гл. 1) содер­жат по одному АЭ в каждом каскаде. Чтобы уменьшить мощность высших гармоник во внешней нагрузке таких усилителей, цепи согласования АЭ с нагрузкой делают относительно узкополосными. Основные этапы проектирования и практической реализации таких усилителей, рассматриваемые в данной главе, характерны и для про­цессов проектирования и реализации всех типов генераторов с вне­шним возбуждением.

Отправным пунктом проектирования выходного каскада передат­чика является техническое задание, в котором оговариваются рабочая частота ω, мощность в фидере Р_ф и вид модуляции.

Первая задача проектирования — оптимально выбрать АЭ и его режим. Критерии оптимальности определяются требованиями к эко­номическим и эксплуатационным показателям системы, в состав которой входит передатчик. Целесообразно выбирать наименее доро­гой АЭ, на котором можно построить требуемый каскад. Поскольку стоимость АЭ резко увеличивается с ростом его максимальной рабо­чей частоты и номинальной мощности, то стремятся выбирать АЭ без значительного запаса по мощности и частоте.

При оптимизации режима выбранного АЭ возможна постановка двух задач: получить наибольшую или заданную (меньше максималь­ной) мощность в нагрузке. Оптимизация проводится с учетом огра­ничений по максимально допустимым параметрам АЭ (напряже­ниям, токам и др.), а также ограничений, указанных в техническом задании (питающие напряжения, рабочая температура и т.д.). При решении любой задачи следует стремиться к обеспечению наилуч­ших энергетических показателей каскада, таких как КПД и коэффи­циент усиления по мощности.

После расчета оптимального по выбранному критерию режима АЭ необходимо учесть, что в реальном каскаде могут изменяться нагрузка, питающие напряжения и окружающие условия (темпера­тура, влажность и др.). Кроме того, характеристики и параметры самого АЭ имеют определенный разброс, поэтому важно уметь ана­лизировать изменения режима АЭ под влиянием этих факторов и находить пути ослабления их влияния на работу генератора и обеспе­чения работы АЭ в оптимальном режиме.

Вторая задача проектирования — выбор схемы цепи согласования АЭ с нагрузкой и расчет параметров этой цепи. При ее решении опи­раются на требования к фильтрации высших гармоник выходного колебания и полосе частот передаваемых сигналов.

Рассмотрение перечисленных вопросов начнем с выбора режима АЭ в усилителях мощности. Для определенности рассмотрим усили­тель мощности на биполярном транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером. Аналогичные результаты получаются для каска­дов на электронной лампе с общим катодом и полевом транзисторе с общим истоком.

3.2. Выбор режима активного элемента в усилителе мощности

Пусть задан тип транзистора и известно номинальное напряжение питания коллекторной цепи Е_к. Требуется выбрать «степень напря­женности» режима и нагрузку Z_H так, чтобы получить максимальную выходную мощность Р₁, высокий КПД и достаточно большой коэф­фициент усиления по мощности.

В режимах с гармоническим напряжением на выходном электроде АЭ максимальная мощность Р₁ получается при активной нагрузке Z_H = R_H. При этом разность фаз между первой гармоникой тока I_к1 и напряжением U_н на нагрузке

φ_н = 0 и, следовательно,

(3.1)

Предположим, что мощность P ₁ ограничена максимально допус­тимой высотой импульса тока коллектора i_к.доп. Поэтому выберем амплитуду напряжения возбуждения U_вх = U_б.э и смещение Е_с так, чтобы высота импульса тока при

U_н = 0 равнялась допустимой: i_вых.м = i_к.м = i_к.доп, и рассмотрим, как будут меняться постоянная составля­ющая тока коллектора I_к0, амплитуда его первой гармоники I_к1 и энер­гетические показатели режима АЭ при изменении амплитуды U_н.

При малых значениях U_н режим транзистора недонапряженный и, как было показано в § 2.2, импульс тока с ростом U_н почти не изме­няется, пока U_н < U_н..кp. Реакция выходного напряжения приводит к некоторому уменьшению высоты импульса тока i_к(τ), но не меняет его формы. Поэтому в области, где U_н < U_н.кp, с увеличением U_н незначительно уменьшаются амплитуда первой гармоники I_к] и постоянная составляющая I_к0 тока коллектора (рис. 3.1, а).

После перехода U_Н в область, где U_H > U_Н.КР, режим становится перенапряженным. В импульсе тока появляется провал, увеличиваю­щийся с ростом U_H, что приводит к быстрому уменьшению I_к1 и I_к0. Первая гармоника входного тока I_вх1 = I_б1 незначительно увеличива­ется с ростом U_H в недонапряженном режиме и резко растет в перена­пряженном

(см. рис. 3.1, а). Зависимости I_к0(U_н), I_к1\(U_H) и I_б1(U_Н) для безынерционного АЭ рассчитываются по (2.19), (2.21), (2.16), (2.31). При учете инерционности расчет сложнее, но результирую­щие зависимости подобны показанным на рис. 3.1, а.

Используя (3.1) и график I_к1(U_н), можно построить зависимость Р₁(U_н), показанную на рис. 3.1, б. Как видно, мощность Р_х макси-

мальна в режиме, близком к критическому, т.е. при U_H ≈U_H.КР . В HP мощность Р₁ растет почти пропорционально U_Н, а в ПР убывает, так как с ростом U_H кривая I_к](U_н) снижается весьма резко. Поскольку Е_к = const и U_6.Э

= const, потребляемая мощность

изменяется пропорционально I_к0, а зависимость мощности

отдаваемой источником возбуждения, подобна зависимости I_б1(U_н).

По определению электронный КПД усилителя η_э рассчитывается по формуле

Как следует из зависимостей Р₁ и Р₀ от U_H, график η_Э(U_H) имеет пологий максимум в ПР (рис. 3.1, в) и в точке максимума значение η_э мало отличается от значения, соответствующего КР.

Коэффициент усиления по мощности

К_Р = Р₁/Р_б1

в отличие от η_э имеет острый максимум вблизи КР (рис. 3.1, г).

Таким образом, в усилителях мощности с гармоническим напря­жением на коллекторе (выходном электроде АЭ) критический режим можно считать оптимальным по основным энергетическим показа­телям, поскольку в нем близки к максимальным значениям и полез­ная мощность, и КПД, и коэффициент усиления по мощности.

Недонапряженный и перенапряженный режимы используются при дополнительных требованиях к каскаду. Например, HP использу­ется при усилении амплитудно-модулированных колебаний, а ПР — для подавления нежелательной амплитудной модуляции. В HP реали­зуется амплитудная модуляция напряжением смещения, а в ПР — напряжением питания коллектора. Однако и в этих случаях для оценки возможностей АЭ определяют энергетические показатели каскада в КР.