Лабораторная работа № 9

НЕЛИНЕЙНОЕ РЕЗОНАНСНОЕ УСИЛЕНИЕ.

УМНОЖЕНИЕ ЧАСТОТЫ

9.1. Цель работы

Исследование нелинейного усиления колебаний и умножения частоты колебаний в резонансном усилителе на полевом транзисторе; определение основных параметров и характеристик.

9.2. Теоретические сведения

Нелинейное резонансное усиление

Одной из основных задач в радиотехнике является получение неискаженного сигнала заданной мощности при высоком КПД. Повышение КПД обеспечивается переводом НЭ (рис. 9.1) в принципиально нелинейный режим – с отсечкой тока. Для сохранения структуры сигнала используется нагрузка в виде резонансного контура, выделяющая из всего спектра тока только полезные составляющие (рис. 9.2); при этом, чтобы уменьшить возможные линейные (частотные) искажения, должна быть правильно выбрана его полоса пропускания.

Рис. 9.1

Пусть на вход НЭ подается напряжение

, (9.1)

а ВАХ НЭ аппроксимирована кусочно-линейной зависимостью (рис. 9.3):

(9.2)

Рис. 9.2

Рис. 9.3

НЭ может работать в следующих режимах:

1) класс А, если ;

2) класс АВ, если ;

3) класс В, если ;

4) класс С, если .

Получение того или иного режима зависит от угла отсечки , который определяется , , :

, при ;

, при . (9.3)

Режим класса А – линейный режим работы НЭ. Форма и спектр сигнала на выходе НЭ соответствуют входным: .

В нелинейных режимах АВ, В, С импульсы выходного тока можно представить в виде

, (9.4)

где – постоянная составляющая; – амплитуды гармоник на выходе НЭ, которые можно рассчитать по формулам

, (9.5)

где

, , ,

2, 3, …,

,

и – функции Берга (коэффициенты гармоник).

В частности, амплитуда тока первой гармоники (полезного продукта)

. (9.5а)

Основные характеристики и параметры резонансного усилителя следующие.

1. Колебательная (амплитудная) характеристика (рис. 9.4, а):

[или ], при (9.6)

– зависимость амплитуды первой гармоники тока (напряжения) на выходе НЭ от амплитуды входного напряжения при постоянном смещении. Ее можно рассчитать по ВАХ НЭ, используя формулы трех ординат

= . (9.6а)

Для кусочно-линейной аппроксимации и аппроксимации степенным полиномом соответственно имеем:

(9.6б)

а б

Рис. 9.4

2. Средняя по первой гармонике крутизна НЭ (рис. 9.4, б)

. (9.7)

3. Амплитуда напряжения на НЭ, т. е. на контуре при его частичном подключении к нелинейному элементу,

, (9.8)

где , , , – внутреннее сопротивление НЭ; – коэффициент включения контура. Аналогично можно учесть сопротивление шунта .

4. Напряжение на выходе усилителя

.

5. Коэффициент усиления

. (9.9)

6. Коэффициент гармоник

. (9.10)

7. Коэффициент полезного действия

, (9.11)

где – колебательная (полезная) мощность на выходе усилителя;  – мощность (постоянной составляющей), потребляемая от источника питания; – коэффициент использования напряжения источника питания ( ).

И

Рис. 9.5

з рис. 9.5 видно, что КПД резонансного усилителя при стремится к 100 % ( ). Однако при этом и . Для 90° (класс B), при , %. На основании (8.5) получим , т. е. колеба-тельная характеристика линейна (рис. 9.4, а). Это важно при усилении АМК, которое будет происходить без искажения огибающей.

В случае, когда требуется получить максимум полезной мощности ( ) на выходе усилителя, угол отсечки доводят до 120°, что соответствует максимуму функции , а это при обеспечивает .

Тот факт, что в режимах с отсечкой при изменении изменяется и нарушается пропорциональность между амплитудами и , свидетельствует о нелинейности преобразования. Однако сохранение формы колебаний на выходе по отношению ко входу позволяет говорить об устройстве как о линейной цепи и проводить расчет по первой гармонике выходного тока. Такой подход к анализу нелинейной цепи получил название квазилинейного метода. Он справедлив при высокой избирательности фильтра ( , ).

Квазилинейный метод расчета может быть распространен на узкополосные ( ) НЦ, возбуждаемые узкополосным сигналом ( , где ).