5.4. Мостовое включение активных элементов

Устранить недостатки, свойственные параллельному и двухтактному включению АЭ, можно, исключив взаимную связь между ними, (той целью широко применяются усилители, построенные по Мос­квой схеме (рис. 5.5).

В номинальном режиме мостового усилителя АЭ имеют идентичные параметры и работают в одинаковых режимах. Мост-делитель (МД) распределяет мощности поровну между АЭ, а мост-сумматор (МС) складывает одинаковые мощности АЭ в общей нагрузке. Деление и сложение мощностей происходят без потерь (предполагается, реактивные элементы мостов идеальны). В номинальном режиме ионное свойство мостов — взаимная независимость (развязка) АЭ

Рис. 5.5. Структурная схема мостового усилителя

131

никак не проявляется. При отклонении от номинального режима раз­вязка проявляется в том, что МД поддерживает постоянным напря­жение возбуждения АЭ1, а МС — сопротивление нагрузки АЭ1 при любых изменениях режима АЭ2 и наоборот.

Развязку между выходами АЭ1 и АЭ2 можно объяснить на при­мере схемы усилителя с синфазными мостами (рис. 5.6), предназна­ченными для суммирования мощностей синфазных генераторов и получения синфазных напряжений для возбуждения активных эле­ментов, следующим образом. Связь между АЭ через общее сопротив­ление нагрузки R_H компенсируется дополнительной связью через балластный резистор сумматора 2R_6.с. Фазовое условие компенсации выполняется, так как напряжение, поступающее на выход АЭ2 (АЭ1) от АЭ1 (АЭ2) через канал нагрузки, на 180° запаздывает по отноше­нию к напряжению, поступающему через балластное сопротивление, из-за наличия двух П-образных звеньев, каждое из которых сдвигает напряжение по фазе на 90°. Таким образом, реактивная часть синфаз­ного моста является фазовращателем на 180°. В качестве фазовраща­теля могут использоваться сосредоточенные L-, С-цепи, отрезки линий, трансформаторы на феррите и др. Для соблюдения амплитуд­ного условия компенсации требуется выполнение определенного соотношения между балластным сопротивлением 2R_б.с, реактив­ными элементами суммирующего моста Х_см и его нагрузкой R_H:

(5.19)

Аналогичное соотношение должно выполняться между балласт­ным сопротивлением R_6.д , реактивным сопротивлением Х_д._м моста-делителя и сопротивлением источника возбуждения R_н.в:

(5.20)

Рис. 5.6. Схема усилителя с синфазными мостами

Балластное сопротивление моста-сумматора выбираемся равным сопротивлению коллекторной нагрузки R_K. Так как значение R_H обычно бывает задано, а значение R_K определяется из расчета режима

транзистора, из (5.19) остается найти Х_см.

Заметим, что нарушение указанных соотношений вызовет появле­ние связи между АЭ, их режимы станут взаимозависимыми тем силь­нее, чем больше степень нарушения.

Отсутствие потерь мощности в балластных резисторах в нормаль­ном режиме объясняется равенствами U_вых1 = U_Bыx2, U_Bx1 = U_Bx2 в силу симметрии усилителя.

Важными параметрами усилителя являются его входное и выход­ное сопротивления, зависящие от параметров и режима АЭ. Старе­ние и смена АЭ, изменение условий окружающей среды приводят к изменению входных и выходных сопротивлений АЭ и, как следствие, входного и выходного сопротивлений усилителя. В этом отношении усилители с синфазными мостами (например, на рис. 5.6) не отлича­ются от усилителя на одиночном АЭ, потому что в симметричном режиме ток через балластные резисторы отсутствует и мост пред­ставляет собой обычный реактивный трансформатор.

Мостовые цепи некоторых типов кроме развязки между АЭ внутри каскада имеют еще одно важное свойство. Их входное и выходное сопротивления не зависят от параметров АЭ при условии идентичности последних. Такое свойство имеют, в частности, кас­кады на так называемых квадратурных мостах.

Если напряжения на выходе моста-делителя равны по амплитуде И сдвинуты на 90°, т.е. находятся в квадратуре

U₁=±jU₂, (5.21)

то при одинаковом изменении нагрузок, которыми являются входные сопротивления транзисторов каскада, входное сопротивление моста-делителя сохраняется постоянным. Равным образом, если одинаково Изменяются выходные сопротивления транзисторов, то выходное сопротивление моста-сумматора остается постоянным.

Квадратурный мост можно сделать на основе синфазного. Для этого в соответствии с (5.21) следует добавить к одному из его выхо­дов цепь, сдвигающую фазу на 90° (например, П- или Т-образное звено типа инвертора комплексного сопротивления или четвертьвол­новой отрезок линии). Поясним свойство постоянства входного Сопротивления квадратурного моста-делителя при одинаковом изме­нении нагрузок на примере схемы рис. 5.7. Увеличение, например, сопротивлений нагрузок R приводит к увеличению R_H2 и уменьше­нию R_Н1, что и способствует поддержанию постоянства R_BX. Однако

Рис. 5.7. Схема квадратурного моста-делителя мощности с инвертором комплекс­ного сопротивления

лишь при наличии балластного сопротивления это постоянство ока­зывается точным.

Входное и выходное сопротивления усилителя с квадратурными мостами активны и не зависят от параметров АЭ при идентичности АЭ, тогда как входное и выходное сопротивления немостового уси­лителя на тех же АЭ или усилителя с синфазными мостами могут зависеть от множества факторов, иметь значительный разброс, быть комплексными.

Применение квадратурных мостов целесообразно и в тех случаях, когда не стоит задача сложения мощностей, т.е. в маломощных уси­лителях. Оно позволяет существенно ослабить связи между каска­дами и повысить устойчивость многокаскадных усилителей.

Мостовой метод развязки генераторов, работающих на общую нагрузку, имеет принципиальный недостаток: КПД моста снижается, когда соотношение напряжений на его входах отличается от номи­нального. При этом через балластные резисторы начинает протекать ток и часть мощности рассеивается в них. Сохранить КПД мостовой суммирующей цепи близким к 100 % при отключении нескольких генераторов или изменении соотношения их напряжений невоз­можно без коммутации выходных цепей усилителей. Реальный КПД моста-сумматора не достигает 100 % даже при совершенно идентич­ных генераторах. Это объясняется потерями в реактивных элементах моста, которые не учитывались в проведенном анализе.

Если необходимо суммировать мощность большого числа АЭ, применяют более сложные схемы мостов, например так называемые многополюсные мосты. Они позволяют объединить произвольное число АЭ (обычно не более 16); используются также комбинации мостов.

Доказательства свойств мостов и мостовых усилителей можно найти, например, в учебниках [1, 2].

Контрольные вопросы и задания

1. С какой целью используется сложение мощностей активных элементов (транзисторов, ламп и др.)?

2. В чем заключаются недостатки схемы параллельного включения АЭ?

3. С какой целью используется включение резисторов в эмиттерных цепях

транзисторов при их параллельном соединении?

4. В чем смысл шунтирования резисторов в эмиттерных цепях параллельно включенных транзисторов конденсаторами большой емкости (блокировоч­ными конденсаторами)? Что выигрывается и что теряется при их включении?

5. Какие преимущества и какие недостатки имеет двухтактное включение АЭ по сравнению с параллельным?

6. Что такое внутрикаскадная развязка АЭ и благодаря чему она достигается в мостовых схемах включения АЭ?

7. Что означают термины «синфазный мост», «квадратурный мост»?

8. Что означают термины «мост-сумматор», «мост-делитель»?

9. Какие дополнительные свойства имеет квадратурный мост по сравнению с

синфазным в схеме деления мощности?

10. Можно ли построить развязывающий мост (сумматор, делитель) исключи­тельно из реактивных элементов (катушки, конденсаторы, трансформаторы)?

11. Укажите главные преимущества мостовых схем сложения мощности перед немостовыми.

Глава шестая

КЛЮЧЕВЫЕ УСИЛИТЕЛИ МОЩНОСТИ