книги / Радиопередающие устройства
..pdfИз анализа колебаний 'второго рода известно, что с увеличе нием номера гармоники амплитуда гармонических составляющих уменьшается. Чем больше номер гармоники, на которую настроен выходной контур умножителя, тем меньше амплитуда выходного тока при одной и той же амплитуде импульса / Вых п = а п/вых.макс. Следовательно, и колебательная 'мощность на выходе умножите ля будет тем меньше, чем больше 'коэффициент умножения. Умень шение значения коэффициента ап происходит приблизительно об ратно пропорционально номеру гармоники an Maxc^ai макс/я. Коле бательная 'мощность в 'режиме умножения частоты примерно в п раз меньше, чем в режиме усиления по первой гармонике
Поэтому умножение больше, чем в два раза в од ном каскаде нецелесообразно. Если необходимо умножение час тоты произвести в большее число раз, применяют несколько кас кадов удвоителей или утроителей.
Допустим, что умножитель работает на такой достаточно низ кой частоте, на которой инерционными свойствами транзистора можно пренебречь и считать, что импульс коллекторного тока имеет форму отрезка косинусоиды. При этом мощность п-й гармониик в коллекторной цепи будет
Рп = 0,5 /вых пt/nn= = 0,5 /вых.макс вп^/нть
где /вых 71 — амплитуда п-й гармоники коллекторного тока; UHn — амплитуда напряжения на коллекторе; an — коэффициент разло жения импульса для п-й гармоники,-
Значение ссп изменяется с изменением угла отсечки 0. Макси мальное значение колебательной мощности Рп будет при наи большем значении ct7i = f(0). Следовательно, угол отсечки 0 нуж но выбирать соответствующим максимальному значению an. Наи
выгоднейшее значение |
угла отсечки 0оп=12О °/п. Так, для |
удвои |
|
теля |
наивыгоднейшим |
следует считать угол отсечки 0 Оп т = 6 О ° , |
|
для |
утронтеля 0 Опт = 4О°. Уменьшение угла отсечки ниже |
наивы- |
годнейшего значения несколько повышает КПД, но уменьшает генерируемую мощность и поэтому нежелательно. Наоборот, угол отсечки выходного тока в умножителях несколько повышают: а2— до 70°, а3 — до 50°.
Мощность, потребляемая коллекторной цепью транзистора,
/ >0= = /вы х О^вых^-^вых.максССо/'Вых.
Коэффициент полезного действия выходной цепи умножителя
г\= Рп/Р о=0,5ап1а0| = 0,5 g t
При в = 0ОПТ £ =1,26 и практически не зависит от п. Поэтому КПД умножителя при оптимальном значении угла отсечки г)0пт= = 0,63|. Следовательно, КПД умножителя даже при оптимальном угле отсечки ниже, Чем усилителя на том же транзисторе.
Амплитуда п-й гармоники выходного тока умножителя в п раз меньше амплитуды первой гармоники. При этом для получения заданного значения амплитуды переменного напряжения на вы-
2 (0
Рис. 1.67. Схема лампового умно- |
Рис. 1.68. |
Схема широкодиапазонного |
жителя частоты |
двухтактного |
удвоителя частоты |
ходном электроде усилительного прибора нужно увеличивать эк вивалентное сопротивление нагрузки в выходной цепи умножи теля. Для получения граничного «режима сопротивление контура должно быть тем больше, чем выше номе-р выделяемой гармо ники (Ran^nRi). Выполнение такого контура представляет не малые технические трудности, особенно в контурах коротких и ультракоротких волн. Кроме того, при увеличении R3 снижается КПД выходного контура.
Таким образом, из-за низких энергетических показателей ум ножение частоты применяется в маломощных промежуточных каскадах передатчика и их энергетические показатели практичес ки не влияют на энергетические показатели всего радиопередаю щего устройства. В коротковолновых радиопередающих устрой ствах с использованием неперестраиваемых шнрокодиапазонных усилителей применение узкополосных резонансных умножителей, требующих перестройки, усложняет обслуживание передатчика. Особенностью обычных резонансных умножителей является тот что полоса пропускания в них ограничивается необходимостью фильтрации соседних близких гармоник с частотами (п— 1) со и (/г+1)со. Поэтому расширения полосы пропускания добиваются выбором схемы и режима работы умножителя, так чтобы в вы ходной цепи электронного прибора уже не было соседних гар
моник. А |
лучше, чтобы значительно ослаблялись все гармоники. |
В таком |
случае умножитель получается шпрокодиапазонным без |
фильтрующих систем.
На рис. 1.68 приведена схема широкодиапазонного двухтакт ного удвоителя частоты. Напряжение возбуждения на базы тран зисторов подается в противофазе, и они работают в классе В с углом отсечки 0 = 90°. При 0 = 90° .в составе спектра выходного тока нечетных гармоник нет. Есть только постоянная составляю щая, первая гармоника и все четные. Из них полезной является только вторая гармоника. Остальные надо подавить. Постоянная составляющая в нагрузку не поступает. Первая гармоника подав ляется включением нагрузки в общий провод питания генератора.
Амплитуды |
четных гармоник |
при 0 = 90° относительно невелики. |
Их легко |
можно ослабить с |
помощью фильтра нижних частот. |
82
В умножителе на полевом транзисторе, у которого вольт-ампер- ная характеристика близка к квадратической параболе, выходной ток содержит только постоянную составляющую и вторую гар монику. Такой умножитель обеспечивает в нагрузке гармоничес кое напряжение удвоенной частоты в широком диапазоне частот.
Умножители частоты на варикапах и варакторах
Варикапом называют полупроводниковый диод, емкость которого изменяется о изменением величины приложенного к «ему напря жения (variren — менять, icapazitat — емкость). Емкость р—п-пе рехода складывается из барьерной емкости Св и диффузионной С д. При закрытом переходе основной является барьерная емкость, при открытом — диффузионная. Обе емкости нелинейно зависят от приложенного напряжения. На рис. 1.69 показаны зависимости барьерной Сб, диффузионной С д и результирующей С в = С б + С д емкостей от значения напряжения, приложенного к его электро дам. Здесь Свар — емкость варикапа. Варикапами называют ма ломощные диоды с нелинейной емкостью, а варакторами — мощные.
Варикап обычно используют в максимальном режиме, и ра бочим участком его характеристики C = f(U ) является часть ее, соответствующая закрытому состоянию варикапа. Внутреннее соп ротивление варикапа в основном реактивное, потери мощности в нем незначительные и коэффициент передачи по мощности до вольно высокий: 0,75 в удвоителе и 0,4 в утроителе. Коэффициен том передачи здесь называют отношение мощностей выделяемой и первой гармоник. На варикапах обычно выполняют удвоители и утронтели частоты небольшой мощности. На варикапах выпол няются умножители более высокого порядка (n = 10... 15) и на большую мощность.
со |
Варикап |
Рис. |
1.70. Схема вклю |
П О ) |
чения |
варикапа |
О ) ю
Применение варакторных умножителей частоты в радиопере дающих устройствах ультракоротких волн обеспечивает возмож ность применения транзисторов в этом диапазоне. Современные транзисторные генераторы работают на частотах до 10 ГГц. По лучение более высоких частот достигается следующим образом. После задающего генератора ставят несколько транзисторных усилителей, 'которые увеличивают мощность колебаний до значе ния, несколько превышающего заданную мощность в антенне. А затем включаются варакторные умножители, которые повы шают частоту до рабочего значения. Но КПД передатчика при этом понижается. Однако энергетические потери оправдываются получением высоких частот, которых использованием только тран зисторов получить нельзя.
Варикап (или варактор) в умножителе частоты можно вклю чать по параллельной (рис. 1.70,а) или по последовательной (рис. 1.70,6) схеме. Входной контур умножителя настраивают на пер вую гармонику тока, а выходной L2C2 — на вторую или /i-ю. Практическая схема умножителя имеет дополнительные цепи: пи тания, фильтрации, настройки, согласования.
В |
варакторном удвоителе частоты |
(рис. |
1.71,а) входной кон |
|
тур |
образован индуктивностями ZJ, |
L2 |
и |
паразитной емкостью |
|
Рис. |
1.71. Схемы варакторных умно |
||
|
жителей |
частоты: |
а — удвоителя, б — утроителя
*)
и L3 сг СЗ L6 L8
схемы. Он настроен на первую гармонику 'входного напряжения. Выходной контур, .настроенный на вторую гармонику, выполнен в виде объемного резонатора Р. Проникновение первой гармони ки в выходную цепь преграждается фильтр-пробкой.
При увеличении коэффициента умножения п уменьшается мощ ность и КПД. Увеличить КПД и выходную мощность умножителя
при |
3 оказывается возможным путем применения активных |
электронных приборов, работающих в классе Д. |
|
|
1.24. ПРАКТИЧЕСКИЕ СХЕМЫ ГЕНЕРАТОРОВ |
|
РАДИОЧАСТОТЫ В РАДИОСТАНЦИЯХ |
|
ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ |
В радиостанции «Ясень-50» буферные усилители и стоящие за ними широкополосные усилители обеспечивают усиление мощнос ти автогенератора, ослабление влияния передатчика на частоту автогенератора и развязку его от синтезатора.
Буферный усилитель радиостанции «Ясень-50» (рис. 1.72) вы
полнен по двухкаскадной схеме |
на транзисторах VTly VT2 и VT3 |
||
(2Т371А). Первый каскад собран на |
транзисторе VT1 по |
схеме |
|
с общим коллектором. Второй |
каскад |
— на транзисторах |
VT2, |
VT3 по каекодной схеме ОЭ—ОБ с последовательным питанием. Напряжение питания —6 В на транзистор VT1 подается от источ
ника |
£ = — 12 В через стабилизатор R3> |
VD2 (2С156А). К эмит |
||
теру транзистора |
VT2 подводится напряжение |
—6 В со стабили |
||
трона |
VD2, а к |
коллектору транзистора |
VT3 |
подводится + 6 В |
со стабилитрона VD1. Напряжение, усиленное буферным усили телем, подается на вход следующего каскада — широкополосного усилителя.
Схема широкополосного усилителя приведена на рис. 1.73. Усилитель выполнен двухкаскадным на транзисторах VT1 и VT2 (2Т607А). Оба каскада составлены по схеме с общим эмиттером.
Индуктивности L1—L5 и нее резисторы |
выполнены |
напылением |
|
на изоляционную подложку. Напряжение питания |
на |
транзисто |
|
ры подается от источника £ = + 12 В. |
Выходное |
напряжение с |
Рис. 1.73. Схема широкополосного усилителя радиостанции «Ясень-50»
Рис. 1.75. Усилитель мощности ава рийной УКВ радиостанции
коллектора транзистора VT2 через конденсатор С5 подается на вход следующего каскада передатчика.
Буферный усилитель радиостанции «Полет» выполнен на Тран зисторе VT1 с общим эмиттером (рис. 1.74). Режим работы тран зистора VT по постоянному току обеспечивается резисторами R13—RJ5. Стабилизация рабочей точки транзистора VT осущест вляется резистором R17, а коэффициента усиления — резистором R 16. Усиленное напряжение с выхода буферного усилителя через конденсатор СИ подается на вход широкополосного усилителя.
Усилитель мощности аварийной УКВ радиостанции выполнен на пентоде 1П24Б (рис. 1.75). Входное напряжение с предыду щего каскада подается через конденсатор С1. Нагрузкой в анод ной цепи усилителя служит колебательный контур L1 и С5, С6. Питание анодной цепи осуществляется по последовательной схе ме. Антенна подключается к контуру через переходной конден сатор С7 к части витков катушки контура. Этим достигается сог ласование низкого входного сопротивления антенны (50 Ом) с высокоомным выходным сопротивлением лампы V. В этом же каскаде осуществляется и амплитудная модулция на управляю щую сетку. Напряжение на экранирующую сетку подается через гасящее сопротивление R3. Конденсатор С4 обеспечивает нулевой потенциал экранирующей сетки по высокой частоте.
Усилитель мощности радиостанции «Баклан-Рн» состоит из трех каскадов, собранных на транзисторах (рис. 1.76). Первый каскад выполнен на сверхвысокочастотном транзисторе VT1 (2Т922Б) по схеме с общим эмиттерам и работает в классе А.
Напряжение возбуждения подается на вход первого каскада
(на базу транзистора |
VT1) |
через |
согласующий трансформатор |
L/, С/, С4, L2. Режим транзистора |
VT1 по постоянному току за |
||
дается резисторами R l, |
R2 |
и термостабилизирующими диодами |
VD1, VD2. Заградительный дроссель Др1 исключает шунтирова ние базы транзистора VT1 диодом VD1 по радиочастоте. Нагруз-
86
Рис. 1.76. Усилитель мощности радиостанции «Баклан-Рн»
кой транзистора служит индуктивность L4 и входное сопротив ление транзистора VT2. Для согласования выхода 'первого каска да со входом второго служит индуктивность L5 и конденсатор С5. Питание коллекторной цепи VT1 осуществляется от отдельного источника напряжением +16,5 В.
Второй каскад усилителя выполнен на транзисторе VT2 по схеме с общим эмиттером и работает также в режиме класса А, Режим второго каскада по постоянному току задается резис торами R4, R5 и R6. Нагрузкой транзистора VT2 служит индук тивность L8 и входное сопротивление третьего каскада. Напря жение питания коллекторной цепи осуществляется от источника напряжением £ = + 18 В. Кроме того, в коллекторную цепь вво
дится модулирующее напряжение от модулятора.
Третий — оконечный — каскад (рис. 1.76) выполнен на тран зисторе VT3 по схеме с общим эмиттером и работает в режиме класса С при нулевом напряжении смещения на базе. Питание
цепи |
коллектора осуществляется модулирующим напряжением |
+ 13,5 |
В. |
Усилитель мощности радиостанции «Ясень-50» состоит из трех широкополосных усилителей и выходного усилителя. Схема пер вого широкополосного усилителя (ШПУ1) приведена на рис. 1.77.
Напряжение от возбудителя подается на вход усилителя по коаксиальному кабелю. Ослабление влияния усилителя на воз будитель достигается включением на его вход делителя-ослаби теля, выполненного на резисторах Rl, R2, R3. Усилитель собран по схеме с общим эмиттером на транзисторе VT1. Входное напря жение через разделительный конденсатор С1 и согласующе-транс- формирующую цепь LI, С2, L2 поступает на базу транзистора VT1. Цепь LI, С2, L2 обеспечивает согласование волнового соп ротивления кабеля с входным сопротивлением транзистора VT1. Напряжение смещения на базу транзистора подается с делителя R5, R6, обеспечивая режим работы в классе А. Стабилизация ра бочей точки на характеристике транзистора обеспечивается фильт
ром R7, С5, С7. Этим фильтром ограничивается |
коллекторный |
ток для защиты транзистора от лавинного пробоя. |
Роль нагрузки |
Рис. 1.77. Усилитель мощности радиостанции «Ясень-50»
в коллекторной цепи транзистора VT1 выполняет дроссель L4y обеспечивающий широкополосность усилителя <по частоте. Питание 'коллекторной цепи VT1 осуществляется от источника Е = = + 12 В по последовательной схеме через фильтр L3C3R4. До полнительная стабилизация напряжения питания обеспечивается стабилизатором VD2 (Д815Е).
1.25. УСТОЙЧИВОСТЬ РАБОТЫ УСИЛИТЕЛЯ РАДИОЧАСТОТЫ
Причины возникновения паразитных колебаний. Основная за дача усилителя радиочастоты (генератора с внешним возбудите лем) — усиление колебаний той частоты, напряжение которой подано на вход этого каскада. Однако в каждом каскаде имеют ся обратные связи, через «которые пасть энергии с выхода усили теля поступает на его вход. В этом случае при выполнении усло вий самовозбуждения — баланса фаз и баланса амплитуд — в усилителе возникают колебания на другой частоте. Усилитель превращается в автогенератор.
Колебания, возникшие в усилителе на частоте, отличающейся от той, которая подана на его вход для усиления, называются паразитными. А те обратные «связи, которые создают условия для возникновения других колебаний, называются паразитными об ратными связями. Для обеспечения нормальной «надежной рабо ты передатчика его каскады должны работать устойчиво. Устой чивостью работы усилителя называется способность его усили вать колебания только той частоты, которая подана на его вход, и не самовозбуждаться.
Основной «причиной возникновения паразитных колебаний в усилителе является наличие в его схеме паразитной обратной связи, т. е. связи выходной цепи со входной. Различают следую щие виды обратной связи: электромагнитные, через общие про
зе
вода и источники питания, через междуэлектродные емкости и индуктивности выводов электродов электронных приборов.
Наиболее существенной причиной возникновения паразитных
колебаний |
в усилителе является |
наличие проходной емкости. |
В ламповых |
каскадах чаще всего |
это емкость анод — сетка, в |
транзисторных — в зависимости от схемы включения транзистора. Через проходную емкость происходит как прямое, так и об ратное прохождение энергии. Проследим это в схеме лампового каскада. Для этого составим упрощенную эквивалентную схему
его, как показано на рис. 1.78.
Прямое прохождение — это прохождение энергии из входной цепи усилителя в выходную его цепь через проходную емкость СасПри наличии во входной цепи переменного напряжения ток /Пр проходит через емкость Сас в выходную цепь и создает на контуре падение напряжения. В контуре выделяется мощность даже при закрытой лампе, т. е. в те моменты, когда мощности на выходе не должно быть. При телеграфной работе это приво дит к излучению энергии во время пауз между посылками, а при телефонной работе — к искажению передачи в связи с невоз можностью получения 100%-ной амплитудной модуляции. Кроме того, излучение ,на частоте паразитных колебаний создает поме хи другим радиостанциям.
Обратная реакция — это прохождение тока / 0бр из выходной цепи во входную через проходную емкость Сас. Значение тока /обр будет тем больше, чем больше емкость и выше частота. На высоких частотах ток /0бр может создавать на катушке связи падение напряжения, достаточное для выполнения условия балан са амплитуд. А баланс фаз при определенной настройке конту ров, как видно из эквивалентной схемы, выполняется. Таким об разом, усилитель превращается в автогенератор и в нем возни кают колебания на частоте, называемой паразитной.
Паразитные колебания бывают слабые, средние и сильные.
Слабые колебания не вызывают значительных изменений энер гетических показателей передатчика, но создают дополнительную паразитную модуляцию. Средние — уменьшают выходную мощ ность и КПД генератора. Сильные — вызывают разрушение элементов схемы (например, пробой конденсатора).
Способы уменьшения влияния проход ной емкости в ламповых каскадах. Для повышения устойчивости работы усили теля необходимо устранять причины возникновения паразитных обратных связей. Так, электромагнитные обрат ные связи устраняются экранированием входных цепей от выходных. В цепи пи тания включают развязывающие фильт ры. Влияние междуэлектродных емко стей ослабляется схемными решениями.
■ - —«
Рис. 1.79. Схема анодной нейтрализации
Так, вредное влияние проходной емкости лампы на работу уси лителя уменьшает применение ламп с малой проходной емко стью — тетродов и пентодов, нейтрализацией проходной емкости и применением схемы с заземленной сеткой.
Нейтрализация проходной емкости Сас основана на компенса ции прямого и обратного прохождения сигнала. Для этого исполь зуется метод моста и анодная нейтрализация (рис. 1.79). Индук тивная ветвь анодного контура в этой схеме делится пополам на две равные части. Создаваемый напряжением возбуждения ток прямого прохождения компенсируется равным по значению, но противоположным по направлению компенсирующим током / КОмп, •протекающим через конденсатор С», .называемый нейтрализую щим, или нейтродинным. Существует и ряд других схем нейтра лизации.
Устойчивость работы транзисторных усилителей. Основные причины неустойчивости работы транзисторных усилительных кас кадов следующие: внешняя обратная связь через индуктивности и емкости во внешних цепях усилителя; внутренняя обратная связь за счет емкости коллектор — база Скв; нелинейная зависи мость емкости коллектора и эмиттера от напряжения на перехо дах; тепловая неустойчивость в полупроводниковой структуре транзистора и др.
Повышение устойчивости транзисторных усилителей достигает ся разными путями: устранением обратной связи путем экрани ровки цепей усилителя, правильного расположения деталей и включением антнпаразитных резисторов в цепи коллектора и ба зы; применением схем нейтрализации; чередованием включения транзисторов разных структур р—п—р и п—р—л; развязкой по цепям питания: включением конденсаторов параллельно перехо дам транзисторов; уменьшением сопротивления коллекторной на грузки и др.
ео