3.6. Однотактный усилитель класса с

Усилители класса С используются преимущественно в пе­редающих устройствах для увеличения амплитуды сигнала не­сущей частоты до расчетного уровня. Усилители класса С стро­ятся по одно- или двухтактной схеме (рис. 3.6 и 3.7). Для со­здания условий работы в режиме класса С необходимо подать на эмиттерный переход биполярного транзистора обратное сме­щающее напряжение такой величины, при которой рабочая точка транзистора находится в области отсечки. При этом транзистор отпирается лишь в течение небольшой части каж­дого периода колебаний (меньшей полупериода), ,в которой мгновенное значение сигнала близко к амплитудному значению (см. разд. 11.4). В этом случае к. п. д. усилителя может дости­гать 90%.

Рис. 3.6. Однотактный усилитель класса С.

Как показано на рис. 3.6, входной ВЧ-сигнал поступает на первичную обмотку L₁ входного трансформатора. Такой сигнал называют управляющим сигналом или сигналом возбуждения, Вторичная обмотка L₂ вместе с шунтирующим конденсатором С₁ образует резонансный контур, настроенный на частоту входно­го сигнала. Конденсатор С₂ пропускает входной сигнал на ба­зу транзистора и одновременно предотвращает закорачивание цепи базы по постоянному току.

Резонансный контур в цепи коллектора, называемый также колебательным контуром, составлен из катушки индуктивности L₄ и шунтирующих ее конденсаторов переменной емкости Сз и С₄. К катушке L₄ можно присоединить обычный конденсатор переменной емкости, но сдвоенные конденсаторы переменной емкости с заземленным ротором обеспечивают большую без­опасность при пробоях, вызванных высоким напряжением. Так как роторы конденсаторов находятся на одной оси, а статоры разделены, или «разрезаны», на две секции, то такие конденса­торы часто называют конденсаторами с разрезными статорами.

Для того чтобы оба вывода L₄ находились под высокоча­стотным потенциалом относительно земли, что необходимо для нейтрализации паразитной обратной связи, источник питания подключают к средней точке катушки L₄. Так как межэлектрод­ные емкости транзистора создают положительную обратную связь между выходом и входом, усилитель может возбудиться и начать генерировать собственные колебания вместо того, что­бы усиливать сигналы предыдущего каскада. Для увеличения устойчивости усилителя используют нейтрализующий конденса­тор С₅. Этот элемент включен между нижним выводом резо­нансного контура и выводом базы транзистора. Величина ем­кости нейтрализации подбирается так, чтобы амплитуда про­тивофазного напряжения была равна напряжению положитель­ной связи, которое вызывает генерацию. Высокочастотный дрос­сель LS не пропускает составляющих радиосигнала, выделяю­щихся в колебательном контуре, к источнику питания. Через трансформатор, составленный элементами L₄ и L₆, и выходной резонансный контур L₆C₆ усиленный выходной сигнал передает­ся на вход усилителя класса С большей мощности или ₍к ан­тенной системе.

Последующий каскад усиления, на который поступает вы­ходной радиосигнал, является нагрузочным элементом усилите­ля, называемым нагрузкой. Если усилитель класса С не нагру­жен и его контур настроен в резонанс, то при этом коллектор­ный ток транзистора минимален. Но так как при резонансе ненагруженный параллельный .колебательный «онтур обладает очень большим входным сопротивлением, то на нем выделяется максимальное напряжение сигнала. Поэтому высокое напряжение, получаемое на контуре, (при отключенной нагрузке мо­жет вызвать пробой между пластинами ротора и статора кон­денсатора настройки. Для предотвращения пробоя, могущего возникнуть в процессе настройки и нейтрализации паразитной обратной связи ненагруженного усилителя, иногда уменьшают напряжение питания (во время настройки). При расстройке контура коллекторный ток транзистора резко возрастает, но напряжение на контуре падает, так (как параллельный резо­нансный контур (на частотах выше и ниже резонансной имеет малый импеданс. Как уже говорилось, в усилителе класса С входное сопротивление контура при отключенной нагрузке ве­лико; велика также добротность Q контура (Q>50). Однако в условиях подключенной нагрузки, .когда усилитель работает с хорошим к.т.д., добротность контура падает до 10 — 15. При более точном подборе величины нагрузочного сопротивления, определяемого характеристиками транзистора, требуемое зна­чение Q нагруженного усилителя выбирают с учетом величины p = |/L/C — характеристического сопротивления колебательного контура в цепи коллектора, где L — результирующая индуктив­ность и С — результирующая емкость контура. Уменьшение Q, вызываемое подключением нагрузки, увеличивает устойчивость усилителя. Однако очень малое значение Q приводит к расши­рению полосы пропускания устройства и, следовательно, к бо­лее слабому подавлению нежелательных гармонических состав­ляющих сигнала. При значениях Q ниже нормы ухудшается се­лективность усилителя и уменьшается полезная мощность в нужном диапазоне частот. При слишком высоком Q и при на­личии нагрузки контурные токи становятся настолько больши­ми, что излучаемая самим колебательным контуром мощность намного больше, чем в нормальном режиме. Результатом это­го являются излишние потери ВЧ-мощности.

Величины L и С, требуемые для получения резонансной ча­стоты fр контура, можно найти из уравнения

(3.1)

Добротность контура выражается следующими соотношениями:

(3.2)

где X_L = 2пf_pL и X_c = 2пf_pC. Сопротивление R в соотношениях (3.2) — пересчитанное эквивалентное сопротивление потерь энергии, шунтирующее колебательный контур. Это сопротивле­ние R=R_H практически учитывает только мощность, потребляе­мую нагрузкой (очень малыми потерями мощности в активном сопротивлении катушки индуктивности обычно (пренебрегают). Сопротивление нагрузки в соответствии с законом Ома опре­деляется как отношение постоянного напряжения коллекторно­го питания к амплитудному значению тока коллектора при под­ключенной нагрузке:

(3.3)

предполагается, что амплитуда напряжения на контуре U_K~E_K. Зная требуемую величину Q нагруженного контура, мы мо­жем найти результирующую (полную) емкость колебательного контура на данной частоте. Эта емкость обратно пропорцио­нальна пересчитанному сопротивлению нагрузки, т. е. отноше­нию E_K/I_K. Результирующая величина емкости колебательного контура определяется из формул (3.1) — (3.3):

(3.4)

где С — результирующая емкость контура, ,пФ;

Q — добротность контура при наличии нагрузки (Q=l0 — 115);

I_K — ток коллектора, мА;

f — частота, МГц (обычно средняя частота рабочего диа­пазона частот);

E_к — постоянное напряжение коллектора, В. Величина емкости, найденная из этого уравнения, должна соответствовать емкости колебательного контура в среднем по­ложении ротора переменного конденсатора. Зная величину ем­кости С для данного Q, можно найти величину общей индук­тивности колебательного контура из формулы (3.1):

(3.5)

где L — результирующая индуктивность, мкГ; С — емкость, пФ; f — частота, кГц.