5.2. Модуляция смещением

В модулируемом каскаде (рис. 18) пропорционально модулируемому напряжению меняется напряжение смещения на входном катоде АЭ е_с = е_{с мол} + U_Ω cosΩt. Схему каскада составляют по следующим правилам, вводя дополнительно последовательно с источником постоянного напряжения E_{C M0J1} источник модулирующего напряжения U_Ω.

Модуляция смещением осуществляется в недонапряженном режиме. В этом случае модуляционные характеристики I_к], I_к0 (E_c) пропорциональны зависимостям коэффициентов разложения γ₁(- cosΘ), поскольку величина (- cosΘ) = (е_с- E')/U₆ при постоянном U_б пропорциональна смещению е_с (рис. 4.3). График γ₁ (-cosΘ) имеет линейный участок, на котором

(-cosΘ) = -0,5...0,5. Ему соответствует интервал углов отсечки Θ= 60... 120°.

Режим молчания выбирается в середине линейного участка, т.е. при (- cosΘ) = 0 или е_с = е'. При этом, как следует из рис. 4.3, коэффициент модуляции коллекторного тока т = (I_{к] mах} - I_{к] мол})/ I_{к] мол} = 0,6. При менее жестких требованиях к линейности можно расши­ть границы вариации смещения до значений |cosΘ| < 0,58. Тогда коэффициент модуляции увеличивается до т = 0,7.

Рис. 18. Схема усилителя мощности при модуляции смещением

Зависимости нормированных мощностей р₀ = P₀/(su₆E_K), р₁= P₁ /(su₆E_K), и электронного КПД коллекторной цепи η_э = P₁/P₀от нормированного смещения (-cosΘ) показаны на рис. 18.2. Мощность, потребляемая от источника питания, Р₀ = I_к0E_k пропорциональна пос­тоянной составляющей тока I_к0= su_бγ₀(-cosΘ).

После нормировки при постоянных е_с и u₆ зависимость P₀ (E_c) принимает вид

. (5.9)

Колебательная мощность P₀= пропорциональна ампли­туде первой гармоники I_к1 в квадрате, т.е. на линейном участке моду­ляционной характеристики I_к1 (E_с) зависимость P₁ (е_с) близка к пара­болической. Уравнение для нормированной колебательной мощности запишем в виде

, (5.10)

где

Выразим через коэффициент использования коллек­торного напряжения в критическом режиме ζ_кр = u_{k кр} /е_к. Учитывая, что , получаем и соответственно

. (5.11)

Графики на рис. 18.2 построены в предположении, что критический режим наступает при Θ_кр = 180° и ζ_кр = 0,8. В этом случае KПД режиме молчания η_{э мол} = 31,4 %, а в максимальном режиме, соответствующем (-cosΘ) = 0,5 (Θ = 120°), η_{э тах} = 42,5 %.

Для более эффективного использования АЭ по мощности целесоо­бразно настраивать усилитель на критический режим в максимальной точке линейного участка модуляционной характеристики I_к1 (е_с), например при (-cosΘ_Kp) = 0,5 (Θ_кр = 120°). Этого можно добиться двумя способами: снижением напряжения питания (как показано на рис. 18.1) или увеличением высоты импульса тока i_к.м при постоянном Е_к. В первом случае зависимости I_к1 , I_к0 (E_c) изменяются только в перенапряженном режиме (штриховые линии на рис. 18.1), мощность P₁ остается неизменной, а мощность Р₀ уменьшается из-за снижения напряжения питания (назовем новое значение е_к.н). Можно показать, то при ζ_кр = 0,8 в исходном режиме и переходе в КР при Θ = 120° получим е_к/е_кн =1,19 (см. задачу 4 в контрольных вопросах к этой главе). Это означает, что электронный КПД возрастет в 1,19 раза и составит 50 % в КР и 37 % в режиме молчания.

Во втором случае, чтобы настроиться в КР при прежнем значении Е_к, увеличим высоту импульса тока i_{к м} в точке Θ=120° до значения i_к._м.кр соответствующего Θ = 180° в исходном режиме. В этом случае значения и остаются прежними, а элект­ронный КПД согласно (4.8) увеличивается в раза и достигает 39 % в режиме молчания и 53 % в максимальном (крити­ческом) режиме.

В процессе модуляции постоянная составляющая тока коллектора и силу слабой нелинейности модуляционной характеристики I_{к0 мод} (E_c) практически не меняется, так что можно принять I_{к0 мод} = I_{к0 мол} и соответственно Р_{к0 мод} = Р_{к0 мол}. В то же время колебательная мощ­ность за счет мощности боковых составляющих увеличивается и, следовательно, согласно принципу баланса мощностей на то же значение уменьшается мощность, рассе­иваемая на коллекторе:

, (5.12)

Таким образом, мощность, рассеиваемая на коллекторе в режиме молчания, больше, чем при модуляции, и в этом режиме следует про­водить оценку теплового режима АЭ. Электронный КПД при модуля­ции повышается:

(5.13)

однако при среднестатистическом значении т_ср = 0,3...0,5 это увели­чение незначительно.

Низкое значение КПД в режимах молчания и модуляции является существенным недостатком модуляции смещением. Это обусловлено тем, что при молчании режим недонапряженный и коэффициент использования коллекторного напряжения в 1,6... 1,7 раза меньше критического. Кроме того, в критическом режиме усилитель работает при угле отсечки 120°, не оптимальном в энергетическом отношении.

При выборе АЭ по номинальной мощности, как упоминалось ранее, исходят из значения мощности Р_{1 тах} = Р_{1 мол}(1 + т) ² . Здесь т = 0,6...0,7 — максимальная глубина модуляции коллекторного тока при модуляции смещением. В максимальной точке модуляционной характеристики выбирают режим критический, рассчитывают все пока­затели режима и проверяют выполнение условий по максимально допустимым значениям тока коллектора (i_к.м < i_к._доп) и напряжения между коллектором и эмиттером (е_к.э.max = Е_{к max} + U_к.кр < е_к.э.доп).

В режиме молчания оценивают мощность рассеяния на коллекторе и сравнивают ее с допустимой: Р_{рас.мол} = Р_{0 мол} – Р_{1 мол} ^< Р_к.доп. В минимальном режиме определяют модуль обратного пикового напряжения на эмиттерном переходе и проверяют соотношение

Нагрузкой выходного каскада модулятора служит входная цепь АЭ модулируемого каскада. Поскольку гармоника входного (базо­вого) тока модулирующей частоты I_Ωб в десятки раз меньше выход­ного тока I_{к1 мол}, а напряжение на входе U_Ω на порядок меньше амп­литуды напряжения на коллекторе U_к.мол , мощность модулятора составляет несколько процентов Р_{1 мол}. В этом достоинство модуля­ции смещением по сравнению с рассматриваемыми далее системами коллекторной и комбинированной модуляции.