2838

В представленных на рис. 5.6 схемах конденсатор Сбл2 включен для того, чтобы на резисторах Rб и R0 не выделялась мощность РЧ колебаний. Lбл1 в этих схемах используется для передачи напряжения смещения Еавт на базу транзистора VT1 и передачи РЧ колебаний со входа усилительного каскада практически без потерь на базу транзистора.

На практике в схемах УМ применяются следующие упрощенные схемы запирающего смещения током Iб0, представленные на рис. 5.7.

В схеме (рис. 5.7 а), мощность РЧ колебаний на сопротивлении Rб при Rб <<XLб1 практически не выделяется. В схеме (рис. 5.7, б) мощность РЧ колебаний выделяется и на Rб, но при Rб больше входного сопротивления транзистора Rвх в несколько раз, потери РЧ мощности невелики, и поэтому коэффициент усиления каскада уменьшается незначительно.

а) б)

Рис. 5.7. Упрощенные схемы смещения током Iб0

Схемы автосмещения позволяют стабилизировать режим работы УМ при изменении нагрузки, напряжения питания или температуры. Так, если в схемах (рис. 5.6 а и рис. 5.7) за счёт роста эквивалентного сопротивления нагрузки транзистора RНЭ или уменьшения ЕП возникает перенапряжённый режим,

111

то Iбо увеличивается. При этом Еавт возрастает. Поэтому

транзистор VT1 ещё более запирается. В результате уменьшаются Iбо относительно нового значения и напряжённость режима. Поэтому путём подбора номинала RБ в каскаде УМ можно реализовать режим, близкий к критическому при изменениях ЕП в широких пределах.

В схеме автосмещения током I ЭО (рис. 5.6, б) при переходе УМ в перенапряжённый режим ток I ЭО практически не меняется. Поэтому Еавт не изменяет напряжённости режима АЭ. При таком автосмещении изменение тока I КО стабилизирует-

ся отрицательной обратной связью по постоянному току. Это свойство используется для термостабилизации режима транзисторных УМ. Однако при создании Еавт током I ЭО постоянное

напряжение, подводимое к транзистору, меньше напряжения источника питания ЕП . В результате уменьшаются генерируе-

мая мощность и коэффициент усиления каскада. Возможно также использование схемы комбинированного автосмещения токами I БО и I ЭО . В этом случае путём соответствующего вы-

бора номиналов резисторов RБ и RO можно совместить до-

стоинства каждого из этих методов.

Схема автосмещения постоянной составляющей тока истокового электрода АЭ широко применяется и для обеспечения жёсткости стационарного режима в схемах автогенераторов при использовании как БТ, так и ПТ.

5.5. Выбор общего электрода активного элемента и точки заземления схемы

Общим является электрод АЭ, относительно которого в схеме УМ приложены входной и выходной сигналы АЭ.

112

Взависимости от схемы включения АЭ реализуются и различные параметры каскада УМ. Так на относительно низких частотах наибольшее усиление по мощности достигается в схеме с ОИЭ. На высоких частотах большее усиление по мощности обеспечивают схемы с ОУЭ, вследствие уменьшения с ростом частоты внутренней обратной связи по току.

На относительно низких частотах схема с ОУЭ применяется также в УМ с высокими требованиями к линейности амплитудных характеристик, поскольку в этом случае имеется 100 % внутренняя отрицательная обратная связь по току. При этом достигается также хорошая стабильность характеристик и параметров УМ.

Всхеме с ОВЭ (истоковый повторитель) усиление по мощности небольшое за счёт 100 % внутренней обратной связи по напряжению. Однако её достоинством являются также малые нелинейные искажения, широкий диапазон рабочих частот. Выходное сопротивление каскада с ОВЭ небольшое (на

средних частотах Rвых 1/ S , где S - крутизна проходной ха-

рактеристики). Поэтому в мощных каскадах с ОВЭ возникают проблемы согласования его выходного сопротивления с сопротивлением нагрузки.

При выборе схем необходимо учитывать также явление обратной реакции и прямого прохождения.

Обратной реакцией называется изменение режима работы входной цепи каскада УМ в зависимости от режима работы его выходной цепи. В результате этого изменяется нагрузка для предыдущего каскада, что приводит и к изменению коэффициента усиления. За счёт обратной реакции возможно и самовозбуждение усилителя.

Прямое прохождение обусловлено тем, что происходит прохождение сигнала со входа на выход каскада УМ за счёт паразитной обратной связи в каскаде УМ.

113

Прямое прохождение и обратная реакция возникают в основном за счёт проходной проводимости АЭ. Влияние этих эффектов увеличивается с ростом частоты.

В каскадах УМ и других устройствах необходимо подключить к корпусу устройства одну из точек схемы, которую называют общей точкой. Все остальные точки относительно общей точки имеют определённые потенциалы по постоянному и переменному току.

Различают точки непосредственного (гальванического) соединения с корпусом точки схемы и точки с заземлением по РЧ через блокировочные элементы (конденсаторы).

Обычно в схемах с ОИЭ к общей точке подключают истоковый электрод (эмиттер для БТ и исток для ПТ). В схемах с ОУЭ чаще всего заземляют также управляющий электрод по РЧ.

В некоторых случаях от этих рекомендаций отступают, поскольку у некоторых БТ на корпус выведен коллектор.

5.6. Контрольные вопросы и задания

1.Какое устройство называется генератором с внешним возбуждением?

2.Дайте характеристику недонапряженного, перенапряженного и критического режимов работы УМ с учетом его состояний его транзистора.

3.Назовите состояния, в которых находится генераторный транзистор в процессе работы в схеме УМ. Как определить рабочие области на выходных статических характеристиках транзистора, соответствующие этим состояниям?

4.Поясните назначение функциональных узлов структурнойсхемы усилителя мощности.

5.Почему в схемах УМ выбирают режим работы АЭ с отсечкой тока?

114

6.Как по экспериментальным зависимостям iвых(t) определить угол отсечки, при котором работает АЭ?

7.Приведите схемы питания выходного электрода АЭ. Какая из этих схем приметена в исследуемом каскаде?

8.Нарисуйте схемы подачи отпирающего (запирающего) смещения на управляющий электрод биполярного (полевого) транзистора. Из каких соображений выбира-

ются номиналы элементов этих схем?

9. Приведите возможные варианты схемы нулевого смещения между управляющим и истоковым электродами АЭ. Какие значения угла отсечки реализуются в УМ случай БТ?

10.Какую из выходных согласующих цепей: параллельный контур или П- контур целесообразно использовать в мощных (выходных) каскадах УМ? В предварительных (маломощных) каскадах?

11. Какое сопротивление АЭ называется входным? Входное сопротивление какого из транзисторовв в рабочей полосе частот больше: мощного БТ или мощного ПТ.

12. Как определить номиналы элементов параллельной схемы питания исследуемого каскада УМ ?

13 При каких условиях (в каком режиме работы) УМ можно считать генератором тока? Генератором напряжения?

14. Как влияет настройка выходной согласующей цепи УМ на форму импульса выходного тока АЭ и генерируемую мощность?

115

6. УМНОЖИТЕЛИ ЧАСТОТЫ

6.1. Назначение и область применения

Применение умножителей частоты (УЧ) в устройствах генерирования и формирования сигналов позволяет:

применить кварцевую стабилизацию частоты в диапазоне частот, превышающих полосу рабочих частот кварцевых резонаторов;

понизить частоту задающего генератора и тем самым обеспечить задачу стабилизации частоты;

ослабить паразитные связи и увеличить устойчивость работы передатчика;

увеличить абсолютную девиацию частоты или фазы при угловой модуляции.

Умножителем частоты называется устройство, в котором при подаче на вход гармонического колебания

где Uвх , вх , 1 - амплитуда, частота и начальная фаза соответственно, на его выходе образуется колебание

где Uвых - амплитуда выходного колебания; N 2,3, 4... - целые числа.

Умножитель частоты является кратным преобразователем частоты.

При умножении частоты происходит также и умножение начальной фазы, которая для выходного сигнала (6.2) составляет N N 1 , т.е. увеличивается в N раз. Поэтому в об-

щем случае УЧ является преобразователем фазы.

116

По принципу действия УЧ можно разделить на три группы: искажающего типа; путем синхронизации частоты автогенератора внешним сигналом с частотой, близкой к субгармонике; с использованием системы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ).

В УЧ первого типа для искажения формы сигнала используются нелинейные элементы (НЭ), в качестве которых используются транзисторы, диоды, варакторы и другие НЭ.

УЧ второго типа представляют собой гармонические автогенераторы (чаще всего LC типа), синхронизируемые на субгармонике входного синусоидального сигнала.

УЧ третьего типа строятся также на основе автогенератора (АГ), включенного в кольцо ФАПЧ. В это кольцо также включен делитель частоты в N раз, выходное напряжение которого подается на фазовый детектор. На второй вход ФД подается сигнал от источника колебаний, частота которого подлежит умножению. В результате сравнения этих колебаний на выходе ФД вырабатывается сигнал ошибки, подстраивающий частоту (фазу) колебаний так, что на выходе АГ устанавливается частота N вх .

Основными параметрами УЧ искажающего типа является коэффициент (кратность умножения)N;

рабочая частота вх ;

выходная мощность N- ой гармоники PN ;

коэффициент полезного действия PN / P0 ( P0 - по-

требляемая мощность); уровень подавления побочных гармоник

aN 20lgUК /UN ,

где K=1; N-1; N+1 и т.д.;

U К - амплитуда К-й гармоники.

117

Умножители частоты (УЧ) находят широкое применение в качестве источника колебаний в радиопередающих, радиоприемных устройствах и измерительной технике. Причины, вынуждающие применять УЧ самые разные.

В радиопередающих устройствах с угловой модуляцией при умножении частоты девиация частоты и фазы увеличивается в N раз, N – кратность умножения (целое число).

Радиочастотные тракты с большим коэффициентом усиления склонны к самовозбуждению, если содержат только усилительные каскады. Избежать самовозбуждения тракта можно, включив его в состав умножителя частоты.

Кроме того, УЧ применяются в сложных возбудителях радиопередающих устройств, создающих сетку стабильных частот, - синтезаторах частоты. pfp

Умножитель частоты обладает ценным свойством, заключающееся в значительно более слабой зависимости входного сигнала от нагрузки, чем в усилителе. Поэтому его целесообразно использовать в качестве буферной ступени, ослабляющей влияние последующих каскадов на стабильность задающего автогенератора.

Наконец, иногда применение УЧ является единственным средством получения мощных колебаний на весьма высокой частоте. Например, при отсутствии достаточно мощных транзисторов, рассчитанных на нужную рабочую частоту. Приходится получать в усилителе мощность выше требуемой на более низкой частоте, а затем включать варакторный УЧ.

К современной радиотехнической аппаратуре и ее компонентам предъявляются высокие требования по электромагнитной совместимости как к устройству в целом, так и к ее элементной базе, в частности к УЧ. Высокие требования предъявляются и по технологическим характеристикам к радиоэлектронным устройствам, что позволяет обеспечивать конкурентную способность аппаратуры.

118

УЧ по принципу действия можно разделить на три группы [2]: на основе синхронизации автогенераторов (АГ) с генерируемой частотой, близкой к Nω, внешним сигналом с частотой ω; с использованием метода сравнения на основе фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ); искажающего типа.

Как известно [3], автогенераторы, работающие в режиме синхронизма имеют узкую полосу рабочих частот, составляющую несколько процентов. Кроме этого их амплитудночастотная характеристика не равномерна в рабочей полосе частот, а используемые типы автогенераторов содержат катушки индуктивности, что делает их мало технологичными. Поэтому их основное применение – СВЧ-диапазон и более высокие частоты.

Структурная схема УЧ, относящегося ко второй группе, приведена на рис. 6.1.

ФД

вых = N

АГ

вых

N

вых

Рис. 6.1. Схема умножителя частоты на основе кольца ФАПЧ

119

Она содержит АГ, генерируемая частота которого близка к частоте Nω. С выхода АГ сигнал поступает на делитель частоты с коэффициентом деления N. Выходное напряжение делителя частоты подается на фазовый детектор (ФД). К другому входу ФД подключен источник колебаний частоты ω, частота которого подлежит умножению. В результате сравнения в ФД входных колебаний на его выходе образуется сигнал, корректирующий фазу колебаний АГ, в результате на его выходе устанавливается колебание с частотой Nω.

В УЧ этого класса реализуются большие значения коэффициента умножения (до 103 и более) при подавлении побочных колебаний на 90 дБ и выше при достаточно простой схеме изменения коэффициента умножения. Рабочая полоса таких устройств может составлять 30 % и более. Однако для практической реализации таких УЧ требуются управляемые автогенераторы, содержащие катушки индуктивности, что не позволяет использовать высокие технологии.

Принцип действия умножителей частоты искажающего типа поясняется структурной схемой, приведенной на рис. 6.2, где СЦ1, СЦ2 – входная и выходная согласующая цепи соответственно; НЭ – нелинейный элемент.

RН

Рис. 6.2. Структурная схема УЧ искажающего типа

В качестве НЭ в этих УЧ используются диоды, активные элементы – транзисторы, а также нелинейные реактивные элементы: катушки индуктивности, варакторы, синтезированные нелинейные элементы и др.

120