3.11. Принципиальные схемы усилителей мощности

Общий подход к построению принципиальных схем.

Построе­ние принципиальной схемы усилителя мощности включает в себя два основных этапа. На первом этапе (по данным ранее рекоменда­циям) рассчитываются выходная и межкаскадные цепи согласования, призванные обеспечить оптимальный режим работы каскадов по первой гармонике. Полученная эквивалентная схема (пример показан на рис. 3.19) удобна для анализа частотной характеристики в полосе пропускания и оценки фильтрации высших гармоник тока. Однако она не содержит источников питания.

На втором этапе для получения полной принципиальной схемы усилителя эквивалентная схема для первой и высших гармоник дополняется цепями питания по постоянному току.

Основное назначение цепи питания выходного электрода АЭ (например, коллектора) состоит в том, чтобы создать замкнутый путь для постоянной составляющей тока от коллектора через источник питания на «землю» с минимальными потерями, обеспечив мини­мально возможное (допустимое) падение напряжения первой гармо­ники на входе источника питания.

Кроме того, цепь питания не должна вносить заметных дополни­тельных потерь мощности по первой гармонике, а ее реактивная ком­понента не должна ощутимо влиять на частотную характеристику

Рис. 3.19. Эквивалентная схема двухкаскадного усилителя для переменных составляющих напряжений и токов

ЦС. Если последние условия выполнить не удается, следует уточнить расчет ЦС и (или) предусмотреть подстройку цепи в резонанс.

Аналогичные требования предъявляются к входным цепям пита­ния, обеспечивающим требуемое смещение на входе АЭ.

Схемы выходных цепей усилителей мощности. Полная схема выходной (и межкаскадной) цепи усилителя представляет собой ком­позицию ЦС и цепи питания по постоянному току. Эти цепи могут быть включены последовательно или параллельно. Образованные таким образом схемы принято называть схемами последовательного питания и схемами параллельного питания соответственно.

Рассмотрим сначала простейшую схему последовательного пита­ния коллекторной цепи (рис. 3.20, а). Цепь согласования состоит из элементов L₁, С₁ С₂, R_н а цепь питания содержит источник питания Е_к , катушку индуктивности L ₁, и блокировочный конденсатор С_бл , назначение которого создавать путь токам гармоник, минуя источник питания.

Степень фильтрации первой гармоники напряжения на входе источ­ника питания U_н1 будем характеризовать коэффициентом фильтрации

Степень фильтрации считается достаточной, если Ф лежит в пре­делах 50...200, т. е. напряжение первой гармоники на входе источ­ника — в пределах 0,2...2,5 % напряжения U_K. Выходное сопротив­ление источника питания на рабочей частоте |Z _н|(jω), как правило, неизвестно и может иметь разные значения. Однако в реальных схе­мах обычно выполняется соотношение |Z_H(jω)| » 1/(ωС_бл), и для оценки фильтрации, пренебрегая сопротивлением источника, можно

Рис. 3.20. Схемы последовательного питания коллекторной цепи: простая (а) и с П-образным фильтром (б)

считать напряжение U_н1 равным напряжению на блокировочной емкости U ,

В схеме рис. 3.20, а через конденсатор С_бл протекает ток контура U_K/X_L и, следовательно, коэффициент фильтрации равен отноше­нию сопротивлений, и :

(3.36)

Отсюда, задавая значение Ф_с = 50...200, находим требуемые зна­чения сопротивления

и емкости С_6л = 1/(ω ).

Фильтрацию в схеме можно существенно улучшить, дополнив схему дросселем и конденсатором С_бл2, как показано на рис. 3.20, б. Индуктивность дросселя обычно больше индуктивности контура (L_др = ), а сопротивления блокировочных конденсаторов значительно меньше X , (Х =Х /Ф , Ф > 10). При этом

коэффициент фильтрации оказывается равным произведению:

(3.37)

Приняв , получим Ф = 1000 ... 25 000. Эта оценка показывает, что схема на рис. 3.19, б позволяет обеспечить высокую степень фильтрации при вариации значений С_бл], С_бл2, Х_др в широких пределах и менее жестких требо­ваниях к емкости С_бл], чем в схеме рис. 3.20, а.

Две разновидности схемы параллельного питания показаны на рис. 3.21. В этих схемах создан специальный путь для постоянной

Рис. 3.21. Схема параллельного питания коллекторной цепи

составляющей тока I_к0 (через дроссель), а токи гармоник замыкаются через ЦС. Разделительный конденсатор С_р в схеме рис. 3.21, а вклю­чен для предотвращения короткого замыкания источника питания через катушку колебательного контура.

Оценим амплитуду напряжения первой гармоники на входе источ­ника питания Е_к. Считая, как и ранее, выполненным соотношение

находим

Для корректного сравнения со схемой последовательного питания обозначим

где Х₁ — сопротивление элемента контура, включенного парал­лельно дросселю; Х₁ = ωL₁ — для схемы рис. 3.21, а;

Х₁ = 1/(ωС₁) — для схемы рис. 3.21, б. В результате получим

Ф=Ф_L Ф_С (3.38)

Коэффициент Ф_L не следует брать более 20. Это объясняется тем, что при длине провода дросселя l_пр, соизмеримой с рабочей длиной волны, дроссель можно рассматривать как длинную линию, замкну­тую на конце. Длина линии равна l_пр. При l_пр ≈γ/2 входное сопротив­ление линии становится близким к нулю. Чтобы избежать этого, рекомендуется брать

l_пр < γ/4.

Выбрав Ф_L = 10...20, Ф_C = 20... 100, получим достаточно высокие значения коэффициента фильтрации Ф = 200.. .2000.

В заключение проведем сравнение схем последовательного и парал­лельного питания. При последовательном питании блокировочные эле­менты схемы не влияют на настройку ЦС. Это важное достоинство схемы. В альтернативном варианте дроссель включен параллельно контуру и его реактивное сопротивление сравнимо с характеристи­ческим сопротивлением контура. Кроме того, межвитковая емкость дросселя и емкость разделительного конденсатора на «землю» увели­чивают паразитную емкость колебательной системы. Это необходимо учитывать при расчете и настройке ЦС.

Крупный недостаток схемы последовательного питания состоит в том, что катушка и конденсатор контура находятся под высоким постоянным напряжением Е_к и на них действует сравнимое с Е_к

переменное напряжение. Поэтому при конструировании мощных кас­кадов передатчиков катушку и конденсатор контура нужно изолиро-

вать от каркаса (корпуса) на напряжение равное 2Е_К. Этот недостаток легко устраняется в схеме параллельного питания (см. рис. 3.21, а). Заметим также, что схема параллельного питания (в простейшем варианте) неприменима для ЦС, имеющих емкостную связь с выход­ным электродом АЭ (коллектором или анодом).

Схема входных цепей усилителей мощности. Схемы входных цепей в зависимости от способа создания напряжения смещения также подразделяются на схемы последовательного и параллельного питания.

В схеме последовательного питания (рис. 3.22, а) напряжение смещения подается на базу от источника Е_с через вторичную обмотку трансформатора. Блокировочный конденсатор создает путь для первой и высших гармоник входного тока i_вх, минуя источник смещения. Емкость С_бл выбирается так, чтобы ее сопротивление Х_с = 1/(ωС_бл) было мало по сравнению с входным сопротивлением транзистора по первой гармонике Z_BX:

В этом случае коэффициент фильтрации напряжения первой гар­моники

U_вх / оказывается равным Ф_с, т. е. Ф_с следует выбирать из соотношения Ф_с > 50.

В схеме параллельного питания (рис. 3.22, б) напряжение смеще­ния подается на базу через дроссель L_др. Дроссель включен парал­лельно ЦС и предотвращает короткое замыкание выхода ЦС на «землю» через источник питания. Конденсатор С_бл служит для дополнительной фильтрации первой и высших гармоник на входе источника Е_с.

Рис. 3.22. Схемы последовательного (а) и параллельного (б) питания входной цепи

Реактивное сопротивление дросселя Х_др = ωL_др не должно заметно искажать частотную характеристику ЦС по первой гармо­нике, т.е. должно быть больше реактивного сопротивления элемента ЦС, включенного параллельно дросселю:

Если сопротивление, то коэффициент фильтрации и его значение выбирают из соотношения Ф_с > 50.

Заметим, что расстройку, вносимую реактивным сопротивлением дросселя, следует скорректировать при расчете частотной характе­ристики ЦС.

В мощных каскадах транзисторных передатчиков часто выбирают режим с нулевым смещением: Е_с = 0. В этом случае угол отсечки лежит в диапазоне 60...90°, что обеспечивает оптимальный энергети­ческий режим каскада и заметно упрощает схему входной цепи. Из нее можно исключить источник питания и блокировочный конденса­тор С_бл, включив дроссель непосредственно между базой и эмитте­ром («землей»).

Если требуется запирающее смещение Е_с < 0, то от внешнего источника также можно отказаться, применив автоматическое сме­щение от тока базы (рис. 3.23, а), тока эмиттера (рис. 3.23, б) или комбинированное (рис. 3.23, в). Цепи автосмещения, обеспечивая отрицательную обратную связь по постоянному току, в определен­ной степени стабилизируют режим каскада в заданном диапазоне мператур.

Для упрощения схемы многокаскадного усилителя смещение в его промежуточных относительно маломощных каскадах обычно получают от источника коллекторного напряжения через делитель.

Рис. 3.23. Схемы автоматического смещения от тока базы (я), тока эмиттера (б) и комбинированная (в)

Рис. 3.24. Схема подачи напряжения смещения от источника коллекторного пита­ния Е_к через делитель R₁ , R₂ (а) и эквивалентная схема с источником Е_см и резис­тором R₅ (б)

В такой схеме через резистор R₁ протекает ток, равный (I_дел-I_вх0), как показано на рис. 3.24, а. Выбирая ток делителя I_дел = (2...5)I_вх0, сопротивления R₁ , R₂ для получения заданного смещения рассчиты­вают по формулам:

Применив теорему об эквивалентном генераторе, схему с делите­лем можно преобразовать к эквивалентной, показанной на рис. 3.24, б. Схема содержит источник ЭДС Е_см с внутренним сопротивлением R_б. Напряжение Е_см равно падению напряжения на резисторе R₁ при I_вх0 = 0:

Сопротивление R₆ равно сопротивлению резисторов R₁, R₂, вклю­ченных параллельно: R₆ = R₁R₂/(R₁+ R₂). Как видим, цепь R₆, С_бл1, подобно цепи R₆ ,С₆ на рис. 3.23, а, обеспечивает базовое автосмеще­ние. Значения Е_см и R₆ обычно выбирают из условия стабилизации напряжения смещения Е_с к вариации тока базы. В этом случае, обоз­начив

k_cм = Е_см/Е_к , для расчета сопротивлений делителя получим соотношения:

R₁=R₆/(1-k_cм) R₂ = R₆/k_см.

В схему на рис. 3.23, а можно включить цепь эмиттерного авто­смещения, обеспечив таким образом дополнительную стабилизацию режима при изменении температуры окружающей среды. Получен­ная схема эквивалентна схеме комбинированного автосмещения, показанной на рис. 3.23, в, но может быть использована и в более широком диапазоне требуемых значений Е_с.

Примеры схем усилителей мощности. В качестве первого при­мера рассмотрим принципиальную схему двухкаскадного усилителя Мощности (рис. 3.25), которую можно считать типичной для тран­зисторных усилителей в диапазоне рабочих частот f < 300 МГц, где Применяются цепи с сосредоточенными параметрами. Граница Между каскадами проходит по линии база—эмиттер. Таким образом цепь связи ЦС1 относится к предвыходному каскаду, а ЦС2 -К выходному.

Выходная ЦС представляет собой П-образный контур, в индук­тивную ветвь которого для улучшения фильтрации включена допол­нительная LС-цепь, настроенная на рабочую частоту (см. табл. 3.1, схему 2). В цепи связи ЦС2 применен П-контур — инвертор Комплексного сопротивления. Достоинство такой цепи состоит в том, что ее входное сопротивление (со стороны коллектора транзистора VT2) остается активным при вариации активной составляющей вход­ной проводимости нагрузки. Реактивные сопротивления элементов ЦС2 равны по модулю (на рабочей частоте) и рассчитываются по формулам, вытекающим из (3.18) и приведенным в § 3.8.

В обоих каскадах применены схемы параллельного питания кол­лекторных цепей (см. рис. 3.21). В схеме выходного каскада кон­денсатор С₄ выполняет одновременно роль разделительного (бло­кировочного) элемента. Взаимное расположение элементов С₄, L₂ Выбрано так, чтобы катушка индуктивности мощного каскада нахо­дилась по постоянному току под нулевым потенциалом. В схеме питания транзистора VT1 применен разделительный конденсатор С_р2, что предотвращает короткое замыкание источника питания через катушку индуктивности контура L₁ и дроссель L_др3. Для упро­щения конструкции в усилителе используется один источник пита­ния Е_к. Напряжение смещения транзистора VT2 принято нулевым (оно обеспечивается дросселем L_др3), а в цепи смещения транзистора

Рис. 3.25. Принципиальная схема двухкаскадного усилителя мощности на тран­ше горах с общим и заземленным эмиттером

Рис. 3.26. Принципиальная схема усилителя мощности на транзисторе с общим эмиттером и заземленным коллектором

VT1 применен делитель R₁, R₂, как в схеме на рис. 3.24, а. Конденса­тор С_р1 предотвращает влияние источника возбуждения на напряже­ние смещения транзистора VT1.

В рассмотренном примере каскады усиления выполнены по схеме с общим и заземленным эмиттером. В транзисторах некоторых типов вывод коллектора соединен с корпусом и для обеспечения эффектив­ного теплоотвода должен быть заземлен. Таким образам, возникает необходимость реализации схемы усилителя с общим эмиттером и заземленным коллектором. Пример такой схемы показан на рис. 3.26. В этой схеме ЦС включена между эмиттером и «землей». Цепь питания коллектора включает в себя источник Е_к (с заземлен­ным положительным электродом) и блокировочные элементы L_др, С_бл. Связь с предыдущим каскадом — трансформаторная. При дру­гих способах связи не удается подать напряжение возбуждения на вход транзистора (между базой и эмиттером), поскольку эмиттер относительно «земли» находится под высокочастотным напряжением с амплитудой U_K.

Контрольные вопросы и задания

1. Каковы основные постановки задач оптимизации режима АЭ в усилителях мощности?

2. Постройте и объясните зависимости при двух значениях:

а) амплитуды напряжения возбуждения;

б) напряжения смещения;

в) напряжения питания цепи коллектора.

3. При каком угле отсечки оценивают максимальную мощность, отдаваемую транзистором? Почему?

4. Максимальная мощность, отдаваемая транзистором при угле отсечки Θ= 90° ограничена значением допустимой мощности, рассеиваемом транше юром. Она превышает требуемую мощность на 25%. Какой вариант снижения отдаваемой мощности предпочтительнее:

а) снижение напряжения питания коллектора при фиксированной высоте импульса тока коллектора;

б) снижение импульса тока при фиксированном напряжении питания но i лектора;

в) уменьшение угла отсечки при фиксированных напряжении питания кол­лектора и высоте импульса тока?

5. Постройте и объясните нагрузочные характеристики

при двух значениях:

а) амплитуды напряжения возбуждения;

б) напряжения смещения;

в) напряжения питания цепи коллектора.

6. Приведите типовую схему транзисторного усилителя мощности (схема с общим эмиттером) с цепями согласования на входе и выходе и источниками питания. Поясните назначение элементов схемы.

7. Сформулируйте требования к цепям согласования усилителя мощности. Чем отличаются требования к межкаскадным цепям и цепям согласования с фидером (антенной)?

8. Дайте определение КПД цепи согласования. Получите выражение для рас­чета КПД через добротность катушки индуктивности и добротность нагру­женной цепи.

9.Что такое коэффициент фильтрации? Поясните качественно различие в фильтрующих свойствах Г-звеньев двух типов — ФНЧ и ФВЧ.

10. Дайте определение общего КПД коллекторной цепи. Постройте зависимости максимальной мощности в нагрузке и максимума общего КПД от параметра а = R_X/R_н.кр.

Глава четвертая

АМПЛИТУДНАЯ МОДУЛЯЦИЯ

_____________________________________________________________________________