1 Анализ классической модели (методики анализа) работы генератора с внешним возбуждением

В радиоэлектронных устройствах ГВВ выполняют различные функции: усиливают радиочастотные колебания (усилители), повышают частоту этих колебаний в целое число раз (УЧ), изменяют амплитуду колебаний радиочастоты по закону низкочастотного сигнала сообщения (амплитудные модуляторы). В качестве АЭ, преобразующего энергию постоянного тока в энергию радиочастотных колебаний, в ГВВ применяют триоды, тетроды, пентоды, лампы бегущей волны, пролетные клистроны, биполярные и полевые транзисторы. Используемые ГВВ возбуждаются, как правило, гармоническим током или напряжением и должны создавать на нагрузке также гармоническое напряжение. В промежуточных каскадах это необходимо для того, чтобы обеспечить возбуждение последующих каскадов гармоническим током или напряжением, а в оконечных – чтобы не излучать в пространство сигналы на гармониках рабочей частоты, мешающие другим системам.

Чтобы унифицировать процесс анализа работы ГВВ применительно к той или иной реализуемой им функции, необходимо решить следующие задачи:

1. рассмотреть режимы работы ГВВ и оценить их характеристики. Итогом является выбор энергетически эффективного режима;

2. проанализировать особенности управления режимами работы ГВВ, определить связи между характеристиками режимов ГВВ и результирующими модуляционными характеристиками;

3. рассчитать спектральный состав колебаний на выходе ГВВ.

Однако общего метода, который бы позволил выполнить анализ работы ГВВ без упрощений и приближений, в настоящее время не существует. Главными причинами такого положения являются инерционность процессов в АЭ и нелинейность их характеристик. И поскольку инерционность процессов в АЭ прежде всего приводит к понижению выходной мощности и КПД ГВВ на их основе, то для понижения зависимости параметров ГВВ от степени инерционности АЭ их стали выпускать для разных диапазонов частот с различной инерционностью (в лампах для более высокочастотных диапазонов уменьшают расстояние между электродами, в биполярных транзисторах уменьшают толщину базы, в полевых транзисторах делают короче канал и уменьшают толщину области дрейфа). В теории ГВВ при введении определенных упрощений и допущений можно воспользоваться безынерционным АЭ и построить на его основе функциональную схему, которая приведена на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 – Функциональная схема ГВВ

Основой схемы является источник тока, управляемый напряжением. Здесь применена последовательная схема питания. Из анализа данной схемы можно сделать вывод, что реактивные составляющие АЭ можно отнести к внешним цепям. В частности, выходную емкость АЭ можно отнести к элементам нагрузочной колебательной системы, входную емкость АЭ – к предыдущим каскадам. Приведенное заключение позволяет допустить, что АЭ является безынерционным. Такое упрощение значительно облегчает последующий анализ работы ГВВ.

Таким образом, практическая необходимость учета инерционности процессов была значительно снижена. В большинстве современных методов анализа ГВВ предполагают, что АЭ – безынерционный, и учитывают лишь его нелинейные характеристики. Например, в ГВВ на биполярных транзисторах учет инерционности процессов сведен к учету частотной зависимости параметров транзистора. Вследствие этого можно считать, что АЭ является безынерционным в своем диапазоне частот.

Все имеющиеся и применяемые методы анализа и расчета ГВВ, учитывающие только нелинейные свойства АЭ, различаются в основном лишь способом аппроксимации характеристик. В литературе приведено достаточное количество методов, используемых для описания работы ГВВ [1]. Однако данные методы несут в себе определенную сложность, обусловленную тем, что для их применения необходимо подробное изучение вопроса работы ГВВ в целом. Поэтому для более простого понимания работы ГВВ и происходящих в нем процессов за основу выбрана кусочно-линейная аппроксимация вольт-амперных характеристик (ВАХ).

Для описания любого АЭ достаточно трех базовых характеристик: проходной (т.е. зависимости выходного тока от входного напряжения), выходной (т.е. зависимости выходного тока от выходного напряжения) и входной ВАХ (т.е. зависимости входного тока от входного напряжения). Для анализа работы ГВВ в принципе достаточно только проходной и выходной ВАХ. Стандартная методика анализа работы ГВВ приведена на рисунке 1.2.

Рисунок 1.2 – Стандартная методика анализа работы ГВВ

На рисунке 1.2 приведен лишь частный случай работы ГВВ. Здесь Е_см = Е, U_вх>U_вхгр. При этом можно выделить как свободно варьируемые внешние параметры (Е_см – напряжение смещения, U_вх – амплитуда возбуждения на входе, R_н – сопротивление нагрузки, Е_пит – напряжение питания), так и параметры, присущие конкретному АЭ (Е – напряжение отсечки, S – крутизна проходной характеристики, S_гр – крутизна ВАХ в граничном режиме). В дальнейшем аналогичный анализ можно провести в зависимости от изменения данных параметров и получить соответствующую картинку. Рисунок 1.2 наглядно показывает, какой вид имеют импульсы выходного тока на нагрузке. При этом основой модели является проходная ВАХ.

Построение стандартной модели при совместном использовании проходной и выходной ВАХ происходит следующим образом. Изначально устанавливаются внешние параметры, и входное напряжение условно накладывается на крутизну S проходной ВАХ. С помощью данного этапа получается первичный импульс тока, обозначенный на рисунке 1.2 через i_вых. Затем на выходной ВАХ используется нагрузочная прямая, обозначенная через 1/R_н. После этого строится перпендикулярная проекция, с помощью которой возможно увидеть импульс напряжения на нагрузке U_н. Затем при использовании вида характеристики на нагрузке и крутизны выходной ВАХ в граничном режиме возможно построение импульса тока i_вых. И по правилу наименьшего итоговый вид выходного тока, в частности для рисунка 1.2, представляет импульс с провалом. Построение считается завершенным. Чтобы отступить от такой громоздкой методики, дальнейший анализ будет построен на проходной ВАХ, и все расчетные соотношения будут исходить из характеристик, приведенных на рисунке 1.2.

Теперь конкретно по режимам работы. Вообще понятие электрического режима АЭ вводится для изучения и анализа работы ГВВ, классификации рабочих состояний АЭ. В электрический режим АЭ входят его параметры в их взаимосвязи. Одной из характеристик электрического режима является напряженность режима, оцениваемая степенью искажения импульса выходного тока. Численной мерой напряженности режима служит коэффициент использования коллекторного напряжения ξ. Искажение импульсов выходного (коллекторного) тока обусловлено перераспределением суммарного тока АЭ между токами электродов. Например, если обратить внимание на рисунок 1.3, то для транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером (ОЭ), эмиттерный ток будет перераспределяться между коллекторным и базовым токами.

Рисунок 1.3 – Схема подключения транзистора с ОЭ

По степени проявления указанных признаков режимы работы АЭ можно разделить на четыре режима по напряженности: недонапряженный (НР), граничный (критический) (ГР), слабоперенапряженный и сильноперенапряженный (ПР).

Необходимо также отметить, что режимы работы с отсечкой тока выбраны не случайно. В режимах работы без отсечки максимальный КПД не превышает величину в 25% – это так называемый режим колебаний первого рода, и он практически не используется из-за низкой энергетической эффективности. В режимах с отсечкой тока можно получить значительно больший КПД, что важно для усилительных каскадов.

Особый интерес представляют режимы работы АЭ, при которых ток в выходной цепи протекает только часть периода входного колебания – это режим колебаний второго рода. При колебаниях второго рода (режимы работы с отсечкой) выходной ток АЭ имеет форму периодической последовательности импульсов, длительность и амплитуда которых зависят от внешних свободно варьируемых параметров (что наглядно демонстрирует рисунок 1.2). Эти импульсы являются косинусоидальными и характеризуются двумя основными параметрами: амплитудой импульса I_выхmax и углом отсечки θ. При достижении входным сигналом верхнего изгиба проходной характеристики АЭ переходит в состояние насыщения, и вершина косинусоидального импульса условно «срезается». Режим работы АЭ в этом случае называется ключевым.

Углом отсечки θ называется половина длительности импульса тока размерности τ = ωt (в градусах или радианах). В зависимости от значения θ иногда режимы работы АЭ подразделяют, используя следующие обозначения: А, АВ, В, С и D. А - режим колебаний первого рода или без отсечки. Режимы АВ, В и С относятся к режиму колебаний второго рода, с отсечкой и обозначают импульсные режимы работы. D - ключевой режим. Связь этих режимов с величиной θ показана на рисунке 1.4.

Рисунок 1.4 – Связь режимов работы с углом отсечки θ

Из рисунка видно, что, по сравнению с режимом А, импульсные режимы, как обладающие гораздо меньшими значениями постоянной составляющей выходного тока, являются энергетически более эффективными. Высокий КПД в режиме с отсечкой делает ГВВ основным усилительным каскадом в мощных радиоэлектронных устройствах. Однако рисунок 1.4 не учитывает свойств выделенных ранее режимов работы по напряженности (НР, ГР, ПР). При этом выбор углов отсечки играет не последнюю роль, т.к. существуют оптимальные углы отсечки, при которых достигаются максимальные значения КПД и тока нужной гармоники. Этим значениям соответствуют коэффициенты Берга _n() или _n(), зависящие от угла отсечки  и имеющие максимумы при оптимальных . Именно они определяют полезную мощность и КПД ГВВ. Значения коэффициентов приведены в литературе и для анализа работы ГВВ в рамках ВКР в чистом виде не играют решающей роли. Основной задачей является получение математических соотношений, которые будут удобны для наглядного анализа работы ГВВ по напряженности.