43 Усиление мощности колебаний и сигналов в радиопередатчиках, в т.Ч сложение мощностей генераторов

В состав усилителя мощности входят активный элемент, согласующие цепи, а также цепи питания и смещения. Чтобы расчетный режим был реализован на практике, нужно правильно спроектировать внешние цепи усилителя — питания, смещения и согласования. Исходными для расчета внешних цепей являются следующие электрические величины, полученные в результате расчета режима АЭ: напряжения источников питания Е_п и смещения Е_см, оптималь­ное сопротивление нагрузки R_K АЭ (пересчитанное к выводам генератора тока в эквивалентной схеме транзистора), входное сопротивление АЭ. Цепь питания содержит источник постоянного напряжения Е_п и блокировочные элементы. Существует две системы питания — параллельная, когда источник питания, АЭ и входная согласующая цепь включены параллельно, и последовательная (рис. 2.1) (предполагается, что в последовательной схеме согласующая цепь пропускает постоянный ток).

Благодаря блокировочным элементам С_бл и L_бл исключаются потери мощности высокой частоты в источнике питания и устраняется нежелательная связь между каскадами передатчика через источник питания. Разделительная емкость С_р в параллельной схеме нужна для развязки по постоянному току активных элементов данного и последующего каскада. Блокировочные и разделительные элементы не должны влиять на режим работы АЭ по переменному току. Как и цепь питания, цепь смещения состоит из источника постоянного напряжения и блокировочных элементов. Для подачи постоянного напряжения на управляющий электрод АЭ можно также применить последовательную или параллельную цепь фиксированного смещения (рис. 2.2).

В первом случае цепь смещения включают последовательно с источником возбуждения и АЭ, во втором — параллельно. Помимо фиксированного в усилителях применяют автоматическое смещение. Автосмещение образуется в результате падения по-стоянного напряжения на сопротивлении автосмещения R_см из-за протекания по нему постоянной составляющей входного тока. Различные варианты схем автосмещения изображены на рис. 2.3. В первых трех схемах (а—в) автосмещение создается постоянной составляющей тока управляющего электрода I_у0. Постоянный ток I_у0 появляется из-за выпрямляющего действия входной части АЭ. Если R_CM значительно больше модуля входного сопротивления АЭ и можно пренебречь потерями Р_вх на сопротивлении автосмещения, то часто применяется схема рис. 2.3, в. Для схем рис. 2.3, а —в напряжение автосмещения рассчитывается по формуле U_CIi = I_у0Rсм.

Отметим Достоинства и недостатки фиксированного и автоматического смещения. Досто­инство фиксированного смещения заключается в возможности получения любых напряжений, как положительных, так . и отрицательных, недостатком является необходимость применения отдельного источника постоянного напряжения. Автосмещение не требует применения специального источника, но позволяет получать напряжение от источника питания только отрицательной полярности, что ограничивает диапазон возможных углов отсечки.

Использование

Тип генератора	Режим по углу отсеч	Режим по напр-ти (в средн реж)
Узкополосн усил-ли мощности -с переменной амплитудой -с пост ампл	120/n (град) 120/n	НР КР
Широкополосн усил-ли мощности -однотактн -двухтактн	180 90	НР КР
Умнож-ль частоты -удвоитель -утроитель	60 40	КР(ПР) КР(ПР)
АМ-каскады -мод-я на вых-и элек-де -мод-я на управ-щем элек-де	90 90	ПР НР
Автогенераторы	40-150	КР/ПР

Схемы усилителей мощности

Н а рис. 2.21 изображена возможная схема мощного транзисторного усилителя с общим эмиттером. Здесь С₁, С₅—разделительные емкости, L₁ С₂— входная, L₃, С₄— выходная Г-образные согласующие цепочки, L₂ — блокировочный дроссель, С₃ — бло­кировочная емкость. Сопротивления R_1} R₂ играют троякую роль: 1) образуют делители напряжения для подачи постоянного фиксированного смещения на базу; 2) обеспечивают автосмещение, равное I_б0R1R2/(R1+R₂); 3) корректируют частотную характеристику транзистора (для этого нужно, чтобы R1R2/(R1+R₂)= R3 В данной схеме применена параллельная система питания и комбинированная система смещения. Для увеличения коэффициента передачи мощности применяюn многокаскадные УМ. С ростом частоты (при f≥0,7...0,9 ГГц) в качестве элементов согласующих цепей иногда используют межэлектродные емкости транзисторов и индуктивности их выводов.

На рис. 2.22, а представлена схема двухкаскадного усилителя большой мощности дециметрового диапазона длин волн. Входная согласующая цепь образована емкостями С₁, С₂, входной емкостью С_вх1 и индуктивностью L_BX1 транзистора VT₁. Антипаразитные конденсаторы большой емкости С₄, С₈ (больше 0,05 мкФ) шунтируют на низкой частоте цепи, подключенные к выходным электродам транзисторов, препятствуя возбуждению в них паразитных низкочастотных колебаний. На СВЧ конденсаторы С₄, С₈ представляют собой значительные индуктивности (обкладок и выводов) и практически не оказывают влияния на согласующие цепи. Межкаскадная согласующая цепь включает выходную емкость С_к1, индуктивность коллекторного вывода L_K1 транзистора VT₁, емкости конденсаторов С₅, С₆, входную емкость С_вх2 и индуктивность L_вх2 транзистора VT₂. Выходная цепь согласования образована коллекторной емкостью С_К2 транзистора VT₂, индуктивностью вывода его коллектора L_K2 и емкостями конденсаторов С₉, С₁₀.

Резисторы R1 и R₂ играют роль сопротивлений автосмещения и антипаразитных сопротивлений. На СВЧ они практически отключены от цепей усилителя благодаря блокирующему действию индуктивностей их выводов. Индуктивности L₁ L₂ и конденсаторы С₃, С₇ блокируют источник питания по СВЧ. С помощью резистивных делителей напряжения RзR₄ и R₅R₆ измеряются постоянные составляющие коллекторных токов обоих транзисторов с целью контроля их работоспособности.

Во многих случаях мощность колебаний передатчика превышает мощность, которую способен отдать одиночный АЭ. Для увеличения выходной мощности суммируют мощность отдельных АЭ. Одним из способов суммирования является параллельное включение АЭ.

При параллельном включении АЭ увеличение выходной мощности происходит за счет того, что суммарный выходной ток равен сумме выходных токов отдельных АЭ. Используют параллельное включение полупроводниковых ячеек в одном кристалле, нескольких кри­сталлов на одном кристаллодержателе, корпусированных АЭ.

Наиболее широко применяется первый вариант, например современные мощные транзисторы, имеют в своем составе до нескольких тысяч параллельно соединенных ячеек. Получил распространение второй ва­риант, реже применяется третий. Ограничение числа параллельно включенных АЭ обусловлено: уменьшением действительной части входного сопротивления и оптимального сопротивления нагрузки АЭ, что затрудняет построение согласующих цепей; неравномерностью распределения тока и напряжения по элементам структуры, в результате чего эффективность суммирования мощности снижается. Двухтактное включение активных элементов. В современных ра­диопередатчиках широко применяют двухтактные усилители мощности. Двухтактный УМ — это объединение двух обычных усилителей, имеющих общую нагрузку и возбуждаемых в противофазе (рис. 2.18). Важно отметить, что выходные токи обоих АЭ протекают че­рез нагрузку (первичную обмотку трансформатора на рис. 2.18) в противоположных направлениях. Выходная мощность двухтактного УМ равна сумме мощностей двух его плеч и при их идентичности в два раза больше мощности одного усилителя.

Важной задачей является обеспечение работоспособности усилителя с суммированием мощностей при изменениях токов и напряжений любого АЭ. Для решения этой задачи применяют мостовые устройства, в которых режим работы каждого АЭ не зависит от режимов работы других АЭ, т. е. все активные элементы взаимно развязаны. Мостовым устройством называют многополюсник, с помощью ко­торого осуществляется совместная и взаимно независимая работа двух (и более) источников колебаний на общую нагрузку. В зависимости от фазовых соотношений между отдельными источниками раз­личают синфазные, противофазные, квадратурные мосты.

П ринцип работы мостового устройства может быть пояснен на примере схемы, изображенной на рис. 2.2. Легко заметить, что токи двух синфазных источников складываются в сопротивлениях R2, R4 и вычитаются в сопротивлениях R₁R ₃. При выполнении условия R₁= R₂=R₃=R₄ напряжение, создаваемое одним источником в точках подключения другого источника, равно нулю. В результате каждый источник работает на постоянное сопротивление, не зависящее от режима другого источника.

Если U'=U", то через сопротивления R₁ и R₃ токи не протекают, а вся мощность выделяется на сопротивлениях R₂, R₄, которые являются нагрузочными. Если U'≠U", то часть мощностей обоих источников рассеивается в сопротивлениях R_l1 R₃, называемых балластными, из-за протекания по ним разностных токов.

В ажным свойством мостовых устройств является сохранение высокого коэффициента передачи мощности (Р_н и Р_б—мощность, рассеиваемая соответственно в нагрузочных и в балластных сопротивлениях) при изменении соотношений амплитуд и фаз обоих источников. Например, при уменьшении отношения U''/U' от 1 до 0,5 или увеличении фазового сдви­га между колебаниями от 0 до 40° уменьшается лишь на 10 %. При практическом использовании схемы суммирования мощностей рис. 2.25 нужно учесть, что обычно имеется один нагрузочный элемент (а не два, как на рис. 2.25). Кроме того, желательно, чтобы оба источника и нагрузка имели общую точку (нулевой потенциал). Реальные мостовые устройства выполняются на трансформаторах, LC-элементах или линиях с распределенными параметрами.

На рис. 2.26 изображена схема синфазного мостового устройства на основе трансформаторов-линий. Взаимная независимость источников и широкополосность моста обеспечиваются соответствующим выбором балластного сопротивления R₆ и волновых сопротивлений линий :. . Возможная схема синфазного мостового устройства с применением LC-элементов представлена на рис. 2.27. Здесь использованы две П-образные цепочки, причем wL1=wL₂ = l/(wC₁) = 1/(wС₃) = 2/(wC2) = X. Для взаимной развязки обоих источников требуется выполнение условий : R_б = 2 R_H, X = Rн.