Устройства генерирования и формирования сигналов. Основы теории и расчета генераторов с внешним возбуждением. Бочаров М.И

6.При каких условиях и в чем проявляются недостатки двухтактного включения АЭ?

7.Какие достоинства двухтактного включения АЭ перед параллельным включением АЭ?

8.Какие требования предъявляются к АЭ при двухтактном включении?

9.При каком (каких) углах отсечки проявляются в полной мере преимущества двухтактного включения АЭ?

11.Какая из схем двухтактного включения АЭ (схема с ОИЭ или с ОУЭ) имеет преимущества? Чем обусловлены эти преимущества и как они проявляются в конкретных технических характиристиках УМ?

12.Какой из АЭ: биполярный или полевой транзистор имеет преимущества при их параллельном включении? В чем это проявляется при практической реализации устройства?

13.Нарисуйте двухтактную схему с общим истоковым электродом при использовании в качестве АЭ мощного ПТ типа МДП. Поясните принцип работы полученной схемы.

13.Почему при двухтактном включении АЭ в качестве входной и выходной СЦ применяются трансформаторы?

14.Почему с ростом частоты условия работы двухтактной схемы ухудшаются? Какие меры улучшения работы этой схемы на более высоких частотах применяются?

15.Какие преимущества двухтактного включения АЭ перед схемой с одиночным АЭ? Какие недостатки устраняются при мостовом включении АЭ по сравнению с их двухтактным включением?

16.Поясните назначение мостов-делителей и мостовсумматоров в схеме с мостовым включением АЭ?

17.Какой предельный КПД двухтактной схемы при работе АЭ с углом отсечки θ=90?

18.Какие функции выполняют мосты – делители и мосты сумматоры при полной симметрии схемы?

151

19. Какие недостатки мостового включения АЭ по сравнению с их двухтактным включением?

20.Поясните принцип работы схемы МД, приведенной на рисунке 4.4.

21.Поясните назначение Rбал в схеме на рисунке 4.4.

22.Можно ли схему МС (рисунок 4.4.) использовать в качестве моста – делителя и если это возможно, как изменится названная схема?

23.Как реализовать схемы мостов в диапазонах ОВЧ и

УВЧ?

24.Почему при мостовом включении АЭ используются наряду с синфазными мостами и квадратурные мосты?

25.Как реализовать квадратурный мост - сумматор и мост делитель? Приведите варианты схем.

26.Какие преимущества схем сложения мощности с использованием квадратурных мостов?

27.Поясните сущность сложения мощностей в простран-

стве.

152

8. РАСЧЕТ ПРИНЦИПИАЛЬНЫХ СХЕМ УСИЛИТЕЛЕЙ МОЩНОСТИ

8.1. Методика электрического расчета принципиальных схем УМ

В процессе электрического расчета с использованием исходных данных определяются амплитуды токов и напряжений, действующих в различных цепях усилительного каскада, а также номиналы элементов его принципиальной схемы.

Исходными данными для электрического расчета является: мощность нагрузки Pн, диапазон рабочих частот fн…fв, (рабочая частота fр), напряжение источника питания Еп, угол отсечки , сопротивление нагрузки Rн и внутреннее сопротивление Ri источника возбуждения, а также и другие параметры в частности уровень нелинейных искажений (задается, как правило, при усилении сигнала с переменной амплитудой).

Считается также, что принципиальная схема устройства построена или выбрана.

Не зависимо от вида конкретной принципиальной схемы УМ электрический расчёт проводится в следующей последовательности:

1.Приводятся справочные данные транзистора.

2.Выбирается напряженность режима работы транзисто-

ра.

3. Определяются параметры сигналов, действующих в выходной цепи УМ и выходные параметры АЭ. Этот расчёт проводится по одной методике как для БТ, так и ПТ.

4. Определяются параметры сигналов, действующих во входной цепи УМ и входные параметры АЭ. Методика расчёта входной цепи для БТ и ПТ различна. Ниже приводятся расчётные соотношения для обоих случаев.

5. Рассчитываются номиналы элементов входной и выходной СЦ.

153

6. Определяются номиналы элементов цепи питания выходного электрода и цепи смещения.

8.2. Основы энергетического расчета УМ

Основой энергетического расчета выходной цепи каскада УМ являются данные гармонического анализа импульсов выходного тока АЭ при воздействии на его вход высокочастотного синусоидального напряжения и аппроксимации проходной статической характеристики АЭ кусочно-линейной зависимостью при заданнй мощноси в нагрузке определить максимальные энергетические показател: КПД и коэффициент усиления по мощносмти.

При заданной величине импульсов выходного тока расчет выполняется по аналитическим выражениям, известным как коэффициенты разложения (Θ) (n=0, 1, 2, … – номер гармоники, Θ - угол отсечки).

При представлении коэффициентов (Θ) в виде графических зависимостей [1 4] просто определяются максимальные энергетические показатели выходной цепи УМ, поскольку генерируемая мощность , пропорциональная (Θ),

расчетов принять величину генерируемой мощности первой гармоники Р1=const, не зависящей от угла отсечки. При этом ее постоянство, при изменении Θ, осуществлять изменением максимальной величины импульсов выходного тока [1].

В этом случае анализ максимального КПД с учетом потерь (сопротивления насыщения) АЭ [1], показывает, что электронный КПД выходной цепи УМ максимален при Θопт

° и составляет около 0.8. Однако при таких углах отсечки необходимо обеспечить достаточно большое напряжение возбуждения, что уменьшает общий КПД каскада УМ. Поэто-

154

му угол отсечки целесообразно выбрать в пределах Θ

°.

В тех случаях, когда необходимо реализовать режим с малыми нелинейными искажениями, угол отсечки следует

-расчет основных энергетических характеристик. Напряженность режима работы АЭ определяется видом

работы (модуляции) передатчика. Так в передатчиках с угловой модуляцией целесообразно использовать энергетически выгодные режимы: критический, перенапряженный и, если позволяют рабочие частоты, ключевой. Усилители передатчиков с ОМ, построенные по типовой схеме, а также усилители телевизионных передатчиков сигналов изображения должны работать в недонапряженном режиме (для обеспечения минимальных искажений).

Тип транзистора обычно выбирается по справочным данным [7], в которых приводятся и экспериментальные параметры: оптимальное значение генерируемой мощности P’ для

В тоже время транзистор целесообразно использовать по мощности не менее чем на 40…50 % (при невыполнении этого условия резко уменьшается коэффициент усиления). Необходимо также, чтобы верхняя рабочая частота в не превышала (в противном случае также резко уменьшается коэффициент усиления). Кроме этого, в случае использования

155

транзистора. Нижняя рабочая частота транзистора так же приводится в справочниках по транзисторам.

Расчет энергетических характеристик заключается в определении параметров сигналов, действующих в выходной цепи УМ и эквивалентного сопротивления нагрузки. Это расчет обычно проводится без учета инерционности АЭ как для коллекторной, так и стоковой цепей биполярного и полевого транзисторов.

В тех случаях, когда задана амплитуда напряжения входного сигнала, расчеты целесообразно проводить с использованием коэффициентов (Θ) [1 ].

Методика расчета выходной цепи, учитывающей инерционность транзистора, приведена в [1], заключается во введении высокочастотного угла отсечки, который учитывает инерционные явления. Кроме этого с ростом частоты уменьшается и максимальное значение импульса выходного тока.

Выбор той или иной методики расчета определяется в каждом конкретном случае требуемой точностью и диапазоном рабочих частот.

В современной аппаратуре применяется и ключевой режим работы, позволяющий существенно уменьшить рассеиваемую мощность на АЭ, что существенно повышает надежность работы УМ [1], а также и генерируемую мощность, если не превышаются допустимые токи , напряжения и рассеиваемая мощность на АЭ.

Базовые схемы ключевых УМ, а также необходимые расчетные соотношения для реализации этого режима при различных исходных данных приведены в [2, 5].

Расчет формирователей радиосигналов с амплитудной, однополосной и угловой модуляцией приведен в [7,14]

В приложении 4 приведены расчетные соотношения для определения параметров сигналов.действующих в выходной цепи УМ без учета инерционности АЭ.

156

8.3. Расчет параметров входной цепи

Целью расчета входной цепи является определение параметров сигналов, действующих в этой цепи : амплитуды входного напряжения, активной и реактивной составляющих входного сопротивления, мощности необходимой для возбуждения УМ (получения заданной мощности в нагрузке) и коэффициента усиления по мощности усилительного каскада. Как правило схема входной цепи УМ известна.

Расчет входной цепи можно проводить без учета инерционности АЭ, с учетом инерционности входной цепи с различной степенью ее учета.

Для области низких частот разработаны методики расчета [1,7], основанные на использовании либо статических характеристик, либо упрощенных моделей (напр. зарядовой, без учета емкостей и индуктивностей). В области средних частот в моделях биполярных транзисторов учитывается его входная и выходная емкости [7,8].

Расчет входной цепи основан на преобразовании физической эквивалентной схемы (разд. 3) в четырехполюсник, параметры элементов которого приведены в подразд. 3.4.

Влияние обратных связей приводит к изменению входного и выходного сопротивлений БТ, а также коэффициента прямой и обратной передачи. При этом параллельная обратная связь по напряжению через емкость коллекторного перехода СК влияет на выходное сопротивление транзистора, а последовательная обратная связь по току через индуктивность эмиттерного вывода на его входное сопротивление.

Основным режимом работы мощных каскадов является область высоких частот. Для этой области используются методики, приведенные в [1,2,5,7,8].

В приложении 5 приведена методика расчета параметров сигналов,действующих во входной цепи УМ с учетом инерционности АЭ.

157

8.4. Расчет параметров согласующих цепей, цепей питания и смещения

Расчёт параметров элементов согласующих цепей Этот расчет проводится с использованием данных, полу-

ченных в процессе электрического расчёта комплексного входного сопротивления Zвх и комплексного выходного сопротивления Zвых транзистора, а также сопротивления внешней нагрузки Rн и внутреннего сопротивления источника возбуждения Ri .

Для типовых вариантов СЦ расчётные соотношения приведены в разд.4.

Расчёт элементов цепей питания и смещения

Расчётные формулы, для определения номиналов элементов последовательной и параллельной схем питания выходного электрода АЭ приведены в разд.4.

Расчетные соотношения для определения номиналов элементов цепи смещения приведены в разд.4.

После проведенного электрического расчёта необходимо сделать оценку полученных результатов, прежде всего, на предмет физической реализуемости параметров элементов, а также выполнения условий трансформации сопротивлений.

158

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе изложены основы теории генераторов с внешним возбуждением, образующих мощные высокочастотные узлы радиопередающих устройств: усилителей мощности и умножителей частоты, режими их работы и расчета с оптимальными энергетическими характеристиками. Анализ режимов работы выполнен с использованием идеализированных статических характеристик активных элементов при воздействии внешнего синусоидального сигнала.

Анализ генераторов на ВЧ проведен на основе физических моделей генераторных биполярных и полевых транзисторах, в результате которого получены аналитические выражения основных характеристик транзисторов, используемых при расчете режимов работы генераторов в диапазоне частот.

Подробно изложены схемотехника высокочастотных усилителй мощности, на которой основываются построение принципиальных схем, сложения мощностей активных элементов и методика электрического расчета в оптимальном режиме.В результате этого определяются параметры сигналов, действующих в выходной и во входной цепи генератора.В выбранной методике учет инерционности использованных активных элементов осуществляется только во входной цепи генератора, что позволяет реализовать оптимальный режим работы в широком диапазоне частот с достаточно высокой точностью.

Анализ работы умножителей частоты и методика их расчета приведены с учетом их реализации в СВЧ диапазоне, что актуально для проектирования и построения совремнных систем связи.

Для выполнения электрического расчета приведен справочный материал с параметрами транзисторов.

159

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

ПАРАМЕТРЫ MOSFET – ТРАНЗИСТОРОВ

*Микросборка из двух комплементарных транзисторов

сn- и p-каналами.

160