3.7. Влияние амплитуды напряжения возбуждения, питающих напряжений и температуры на режим усилителя мощности

Изучение влияния амплитуды напряжения возбуждения U_бэ и напряжения смещения е_с на режим усилителя мощности представ­ляет интерес по ряду причин. Во-первых, напряжения приходится регулировать при настройке усилителя. Во-вторых, на практике широко применяются амплитудная модуляция смещением и усиле­ние модулированных колебаний, т.е. колебаний с изменяющейся амплитудой U_б.э. Наконец, возможны случайные изменения U_б.э и е_с

в процессе эксплуатации усилителя, поэтому необходимо понимать, к каким последствиям могут привести эти изменения.

Рассмотрим сначала, как зависят характеристики усилителя мощ­ности от амплитуды U_б.э . Предположим, что Е_к, Е_с и сопротивление нагрузки выходной цепи R_н заданы, a U_{6 э} возрастает, начиная с нуля. Будем пока считать АЭ безынерционным и выберем напряжение сме­щения Е_С = Е'. В этом случае угол отсечки Θ = 90° и не зависит от U_б.э (рис. 3.7).

При небольших U_б.э режим недонапряженный, ток имеет форму косинусоидального импульса и его первая гармоника, пока U_H < U_{H КР}, увеличивается пропорционально U_6.э:

(3.11)

При дальнейшем росте U_б.э напряжение на коллекторе превышает критическое U_H > U_H.KР и АЭ переходит в ПР. В импульсе тока появ­ляется провал, увеличивающийся с ростом U_6.э. Поэтому амплитуда первой гармоники тока почти не меняется, несмотря на возрастание U_б.э . Постоянная составляющая I_к0 в ПР растет несколько быстрее, чем I_к1, из-за уменьшения коэффициента формы импульса тока

Рис. 3.7. Формирование импульса тока коллектора при Θ = 90° и разных амплиту­дах напряжения возбуждения

Pис. 3.8. Зависимости амплитуды первой гармоники и постоянной составляющей тока коллектора от амплитуды возбуждения при Е_c = Е'(а) и зависимости , I_к1(U_б.э) при трех значениях Е_с (б)

(Pис. 3.8, а). В ПР зависимости I_к0, I_к1от U_6.э рассчитываются с помощью (2.31), (2.16).

Если Е_с > Е', то при малых амплитудах U_{6 э} < Е_с- Е' транзистор открыт при любых τ и I_к1 = SU_6.э. При U_{6 э} = Е_с - Е' появляется сечка тока (Θ= 180°). С ростом амплитуды возбуждения угол Θ уменьшается, но остается больше 90°, включая точку КР (Θ_кр > 90°). уменьшение угла Θ приводит к уменьшению крутизны зависимости I_к1(U_6.э), но эта крутизна всегда больше чем 0,5S (рис. 3.8, б). оскольку при Е_с > Е' каждому значению U_6.э соответствует больший импульс тока, чем при Е_с = Е', АЭ переходит в ПР при меньшем начении U_б.э , но практически при той же высоте импульса тока. Значение I_{к1 кр} =α ₁Θi _к.м остается почти таким же, поскольку α₁(Θ) при Θ > 90° слабо зависит от Θ (см. рис. 2.9).

При Е_с< Е' и U_б.э < Е' - Е_с ток I_к1 отсутствует; после открывания AЭ I_к1 нарастает из-за одновременного увеличения U_б.э и Θ и оста­ется почти постоянным в ПР (рис. 3.8, б). Критический режим дости­гается при большей амплитуде U_б.э, а критическое значение I_{к1 кр} несколько меньше, чем при Е_с = Е'. Угол отсечки Θ_кр < 90°.

В усилителе мощности, работающем на частотах, при которых жно учитывать инерционность транзистора, характер зависимоcтей I_к1 от U_б.э при активной нагрузке остается таким же, хотя при счете приходится принимать во внимание сложную деформацию пульса тока i_к(τ) с повышением частоты. Реакция выходного

напряжения на ток i_к в HP невелика, и характер зависимостей I_к1 (U_{6 э}), I_к0 U_б.э () по-прежнему определяется выбором Е_с.

Перейдем к изучению влияния напряжения смещения Е_с на режим усилителя мощности. Предположим, что U_б.э, Е_к и R_H постоянны. Тогда в HP влияние Е_с на i_{к м} = SU_{6 э}(1 - cos Θ), I_к1 = S U_б.э γ₁ (Θ) и I_к0 = SU₆._эγ₀ (Θ) отображается лишь изменением угла отсечки Θ. Пос­кольку величина (-cosΘ) = (Е_с- Е')/ U_б.э линейно зависит от Е_с , гра­фики I_к1 (Е_с), I_к0 (Е_с) (рис. 3.9) в HP повторяют в ином масштабе функции γ₁ (-cosΘ) и γ_o(-cosΘ) (см. рис. 2.8) соответственно.

При некотором значении I_к1 и Θ амплитуда U_н достигает крити­ческого значения, и при дальнейшем увеличении Е_с в импульсе тока коллектора появляется провал. При этом с увеличением Е_с значения I_к1 и I_к0 возрастают весьма медленно, и в первом приближении их можно считать постоянными. Очевидно, что значение Е_с , при кото­ром наступает КР, зависит от напряжений U_б.э, Е_к и сопротивления нагрузки R_H.

Рассмотрим влияние напряжения питания выходной цепи Е_к на режим усилителя мощности на безынерционном АЭ. Анализ зависи­мостей I_к1, I_к0, I_б0 от Е_к при фиксированных U_б.э , Е_с , R_B удобно

начать со значения Е_к , при котором АЭ находится в КР, т.е. U_H = U_н.кр. При увеличении Е_к > Е_{к кр} режим становится недонапряженным и форма импульса тока i_к(τ) в пренебрежении реакцией U_к.э

Рис. 3.9. Зависимости амплитуды первой гармоники и постоянной составляющей тока коллектора от напряжения смещения безынерционного АЭ

определяется только значением U_6.э . Иными словами, в области Е_к > > Е_к.КР токи I_к1, I_к0 и I_б0 остаются почти постоянными (рис. 3.10, а).

При уменьшении Е_к < Е_к.КР транзистор переходит в ПР, в импульсе тока появляется провал и амплитуда первой гармоники тока I_к1 вместе с I_к0 убывает. При Е_к = 0 ток, протекающий в цепи коллектора, обра­щается практически в нуль (рис. 3.10, б). Для приближенных оценок можно считать, что в области ПР I_к1 меняется пропорционально Е_к

(штриховая линия на рис. 3.10, а). Зависимость I_к0 (E_k) значительно более нелинейная. Входной ток I_б0 с уменьшением Е_к несколько возрастает (см. рис. 3.10, а). Рассмотрим влияние температуры на режим усилителя мощности. Вопрос о влиянии температуры на режим оказывается особенно важ­ным не только при изучении работы усилителей мощности на бипо­лярных транзисторах в диапазоне температур окружающей среды, но и при исследовании вариации параметров, влияющих на мощность, рассеиваемую транзистором.

Как отмечено в § 2.1, с повышением температуры статическая характеристика транзистора сдвигается влево и ее крутизна умень­шается (см. рис. 2.3). Главную роль играет изменение Е', поэтому в первом приближении анализ влияния температуры на I_к1, I_к0 сво­дится к изучению влияния изменения Е' на токи при фиксированных U_б.э Е_с , Е_к и R_H .

Предположим, что при средней расчетной рабочей температуре Т_рас режим критический. Понижение температуры, как видно из рис. 2.4, вызовет уменьшение высоты импульса тока и угла отсечки.

Рис. 3.11. Зависимости амплитуды первой гармоники и постоянной составляю­щей коллекторного тока от температуры транзистора

При этом I_к1 уменьшится и режим станет недонапряженным. Увели­чение температуры, напротив, приведет к увеличению I_к1 и U_h = = I_к1 R_H а значит к ПР. Из-за появления провала в импульсе тока рост I_к1 I_к0 с увеличением Т будет небольшим (рис. 3.11). Рассеиваемая на коллекторе мощность несколько увеличится, что вызовет дополни­тельный нагрев транзистора.

Анализ влияния вариаций Т и других параметров на режим гене­ратора показывает необходимость принятия специальных мер для стабилизации режима АЭ в усилителе мощности. Стабилизировать режим при изменении одного или нескольких параметров можно, регулируя (желательно автоматически) какой-либо параметр так, чтобы основные энергетические параметры Р₁ η_э, Р_рас поддержива­лись неизменными. Например, уменьшение е', вызванное увеличе­нием температуры, можно скомпенсировать, уменьшив напряжение смещения е_с.