3.5. Расчет усилителя в критическом режиме на заданную мощность в нагрузке

Исходными данными для расчета транзисторного усилителя мощ­ности являются рабочая частота ω, мощность в фидере Р_ф , напряже­ние питания коллектора Е_к , угол отсечки Θ, параметры статических характеристик выбранного АЭ (S_кp,

S, h_21э, Е'), граничная частота ω _гр и максимально допустимые параметры i_к.доп, е_{6.э. доп} , Р_к.доп.

Цель расчета — найти напряжения, токи, мощности и другие пара­метры АЭ, работающего в критическом режиме, при условии получе­ния заданной полезной выходной мощности Р₁ . Последнюю, учитывая потери в цепи согласования, принимаем равной (1,1... 1,2)Р_ф .

Цепь коллектора для безынерционных и инерционных АЭ рассчиты­вается одинаково. Расчет начинаем с определения по (3.6) и (3.7) норми­рованной высоты импульса коллекторного тока J_кр и коэффициента использования коллекторного напряжения ζ_кр, = 1 - J_кр . Затем вычис­ляем U_н = ζ _кр,Е_к и проверяем выполнение неравенства U_н + Е_к<е_к.э.доп . Далее определяем высоту импульса коллекторного тока и его гармо­нические составляющие:

Находим потребляемую мощность, электронный КПД и мощ­ность, рассеиваемую коллектором:

Рассчитываем требуемое сопротивление нагрузки R_н.кр = U_н/I_к1.

Методика расчета цепи возбуждения различна для усилителей мощности на безынерционных и инерционных АЭ.

Расчет для безынерционного АЭ проводим в следующей последо­вательности. Из формул (2.21), (2.9) определяем амплитуду возбуж­дения и требуемое смещение:

Находим максимум обратного напряжения на эмиттерном пере­ходе и сравниваем его с допустимым

Учитывая, что гармонические составляющие токов коллектора и базы связаны коэффициентом передачи тока базы, получаем

Вычисляем мощности, отдаваемые источниками возбуждения и смещения, и мощность, рассеиваемую на базе:

Заметим, что мощность Р_с0 положительна, если Е_с > 0, и отрица­тельна, если Е_с < 0, т. е. в этом случае источник смещения потребляет лощность. Значение Р_б.рас следует добавить к значению Р_рас коллек­тора и проверить условие

Р_рас + Р_б.рас.<P_к.доп

Определяем коэффициент усиления по мощности и входное сопротивление АЭ по первой гармонике:

Расчет режима усилителя мощности для высоких частотf > 0,1 f_гр будет рассмотрен во второй части учебного пособия.

3.6. Нагрузочные характеристики усилителя мощности

Рассмотрим зависимости токов АЭ, напряжений на нем и энерге­тических показателей от сопротивления нагрузки при неизменных значениях напряжений U_б.э, Е_с, Е_к, т. е. нагрузочные характеристики. Они используются при настройке усилителя мощности и оценке вли­яния на режим изменений параметров фидера и антенны. Считаем, что сопротивление нагрузки вещественное Z_H = R_H.

При изменении R_H меняется амплитуда напряжения на коллекторе U_H = R_HI_K1 - Как было показано в § 3.2, амплитуда I_к1 в свою очередь зависит от U_H (см. рис. 3.1, а). Каждой точке этой зависимости соот­ветствует свое значение R_H = U_H/I_K]. Принимая R_H за аргумент, строим зависимости I_к1(R_н) и U_н(R_н), т. е. нагрузочные характери­стики для тока I_к] (рис. 3.4, а ) и напряжения U_н (рис. 3.4, б). С рос­том сопротивления нагрузки I_к1 сначала медленно убывает, а АЭ работает в HP (точки 1, 2 на рис. 3.4, а). При R_H = R_{H кр} (точка 3) наступает КР. При дальнейшем увеличении R_H > R_{H кр} (точки 4, 5) U_н превышает U_н.кр и медленно растет, АЭ переходит в ПР, в импульсе коллекторного тока появляется и увеличивается провал и I_к1 падает.

Как видно из рис. 3.4, а, ток I_к0 меняется почти пропорционально первой гармонике I_к1, поскольку коэффициент формы g_к (Θ) в HP постоя­нен, а в ПР медленно уменьшается. Ток I_б1 растет в ПР с увеличе­нием нагрузки R_н.

Рис. 3.4. Реальные (сплошные линии) и идеализированные (штриховые линии) нагрузочные характеристики

Как уже говорилось, в области HP слабо меняется ток 1_к1, а в ПР — напряжение U_н. Для качественных оценок удобно представить АЭ генератором тока I_к1 = I_к1.кр в HP и генератором напряжения U_H = U_H.кр в ПР. В результате получим уравнения идеализированных нагрузочных характеристик:

(3.8)

Рис. 3.5. Зависимости энергетических характеристик усилителя мощности от нагрузки

По графикам, показанным на рис. 3.4, построены зависимости мощностей Р₀, Р₁, Р_рас от R_н (рис. 3.5, а).

Поскольку Е_к = const, зави­симость Р₀(R_н) ⁼ Е_к I_к0 (R_н) повторяет по форме зависимость I_k0(R_н). Полезная мощность

Р₁ = 0,5U_н I_к1 возрастает примерно пропорцио­нально R_н в области R_н < R_н.кр , имеет максимум вблизи точки R_н = R_н.кр и убывает с увеличением R_н в ПР.

Идеализированные нагрузочные характеристики Р₁,(R_н), если учесть, что 0,5 U_н.кр I_{к1 кр} = Р_{1 кр}, принимают вид

(3.9)

Мощность, потребляемая цепью возбуждения, Р_б1 = 0,5U_вхI_б1 воз­растает пропорционально I_б1, так как

(U_ВХ = const (рис. 3.5, а).

Изменение Р_рас как функции R_H определяется формулой Р_рас = = P₀ -P₁. При R_н = 0 вся мощность, потребляемая от источника пита­ния е_к, рассеивается на коллекторе. С увеличением R_н она убывает быстро при R_н < R_н.кp и медленно при R_н > R_{н кр}. При расстроенной нагрузке, когда , АЭ может оказаться в тяжелом тепловом режиме, поэтому каскад настраивают при пониженных значениях Uвх и Ек.

График ζ(R_Н) (рис. 3.5, б) повторяет зависимость U_H(R_H) в ином масштабе, так как ζ(R_H). Коэффициент формы

g₁, = = I_к1 / I_к0 в HP можно считать постоянным, так как угол отсечки из-за реакции коллектора меняется мало. В ПР g₁, убывает с увеличе­нием R_H из-за появления провала в импульсе тока, но значительно медленнее, чем I_к1, поскольку I_к0 тоже уменьшается. Поэтому КПД, как и на рис. 3.1, растет линейно в HP и имеет весьма тупой макси­мум, лежащий в области ПР. Более того, в практически важной области R_{н кр} < R_н < 5R_н.кр КПД можно считать постоянным, что ведет к следующей идеализации нагрузочной характеристики:

Как видно из рис. 3.5, в, в области HP К_Р возрастает почти про­порционально R_H. В перенапряженном режиме К_р убывает быстрее, чем P₁, из-за роста мощности возбуждения Р₆₁ (см. рис. 3.5, а).

Анализ нагрузочных характеристик подтверждает сделанное ранее заключение о том, что критический режим является оптималь­ным для АЭ по полезной мощности Р₁, КПД η_э и коэффициенту уси­ления по мощности К_р.

Чтобы подчеркнуть, насколько АЭ в нелинейном режиме чувстви­телен к изменению нагрузки, сравним зависимость (3.9) с нагрузоч­ными характеристиками генератора с линейным внутренним сопро­тивлением R_вн и амплитудой напряжения холостого хода u_x. Зависимость Р_{н л г}(R_Н) удобно выразить через максимальную мощ-

Рис. 3.6. Зависимости мощностей, отдаваемых линейным и нелинейным генера­торами, от сопротивления нагрузки

ность, отдаваемую линейным генератором Р_млг = в режиме согласования нагрузки R_н = R_вн:

Совместив на одном графике точки Р_1кр и Р_{м л г} при R_H/R_HKР = R_H /R_BH = 1 (рис. 3.6), увидим, что нелинейный генератор существенно сильнее реагирует на изменение нагрузки, чем линейный. Причина заключается в резкой зависимости внутреннего сопротивления нели­нейного генератора от режима. В HP R_н « R_вн и, как в линейном усили­теле, Р_н растет пропорционально R_H/R_ВН. В ПР, напротив, R_н » R_вн и R_н oͼ R_вн / R_H. В точке КР внутреннее сопротивление резко меняется, и оптимальный режим в обоих случаях соответствует режиму согла­сования R_н/R_н.кр =R / R_вн = 1.