10027

Оконечные усилительные каскады

Конспект

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Тема № 3. Оконечные усилительные каскады Занятие № 1. Принципы построения и функционирования каскадов оконечного усиления Учебные методические и воспитательные цели: 1. Изучить принципы построения оконечных усилительных каскадов. 2. Со...

Русский

2013-03-20

1.1 MB

127 чел.

74

PAGE  26

Тема № 3. Оконечные усилительные каскады

Занятие № 1. Принципы построения и функционирования

каскадов оконечного усиления

Учебные, методические и воспитательные цели:

1. Изучить принципы построения оконечных усилительных каскадов.

2. Совершенствовать навыки конспектирования лекций. Развивать инженерное мышление.

3. Воспитывать интерес к профессии офицера-связиста.

Время: 2 часа.

План лекции

п/п

Учебные вопросы

Время

(мин.)

I.

ВВОДНАЯ ЧАСТЬ

5

II.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

80

1. Общая характеристика каскадов оконечного усиления колебаний высокой частоты, применяемых в ВТС.

20

2. Однотактные и двухтактные каскады.

60

III.

ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНАЯ ЧАСТЬ

5

Литература:

  1.  Павлов В. Н., Ногин В. Н. Схемотехника аналоговых электронных устройств: Учебник для вузов. М.: Горячая линия Телеком, 2003. – С.130143
  2.  Якушенко С. А., Ершов Ю. К., Журбин Г. Е., Романов А. Г. Основы схемотехники. Учебное пособие: В 2ч. Новочеркасск, НВИС, 2004. Ч. 1 , С. 201-216.

Материальное обеспечение:

1.Демонстрационное оборудование на основе ПЭВМ, набор демонстрационных файлов.

2.Плакаты: Усилитель мощности КВ диапазона радиостанции Р-161, График коэффициентов Берга,  Работа в режим с отсечкой тока.


ВВОДНАЯ ЧАСТЬ

В V семестре по дисциплине "Основы схемотехники" предстоит изучить темы: № 3 "Оконечные усилительные каскады", № 4 "Преобразователи частоты", № 5 "Функциональные устройства на ОУ". Всего будет проведено 44 часа аудиторных занятий из них 32 часа лекции, 4 часа семинары, 8 часов лабораторные работы, 4 часа практическое занятие. 10 часов занятий отводиться на выполнение курсовой работы "Проектирование аналоговых устройств".

После тем № 3 и № 5 выставляются оценки по РК-2 и РК-3. Заканчивается семестр защитой курсовой работы.

Список основной и дополнительной литературы приведен в ваших опорных конспектах. В них же после каждого занятия дано задание на самостоятельную работу.

На данной лекции мы начинаем изучать тему № 3 "Оконечные усилительные каскады". Важность данной темы заключается в том, что в дальнейшем при рассмотрении радио передающих и приемных устройств, аппаратуры уплотнения, оконечных устройств Вы обязательно остановитесь на изучении их принципиальных и структурных схем, а также принципов работы, и знания, полученные на данной лекции, будут способствовать быстрому и качественному усвоению материала на специальных кафедрах.

1. Общая характеристика каскадов оконечного усиления колебаний высокой частоты, применяемых в ВТС

Оконечным называется каскад, с выхода которого сигнал, усиленный до заданной мощности или напряжения, поступает в нагрузку усилителя. Все предыдущие каскады по сравнению с оконечным являются маломощными. Именно он определяет КПД всего усилителя, а также требуемые напряжение и мощность источника питания, т.е. в основном определяет стоимость всего устройства и его эксплуатации.

Оконечные каскады отличаются между собой выходной мощностью, полосой усиливаемых частот, типом нагрузки. В каждом отдельном случае требуется выбирать для работы в этом каскаде наиболее подходящий усилительный элемент биполярный или полевой транзистор или электронную лампу, подобрать для них оптимальный режим работы и соответственно схему включения.

Как и в предварительных каскадах, выбор оптимального варианта определяется основными требованиями, которым должен удовлетворять данный каскад:

1. Получение высокого КПД. Чем выше КПД, тем большая часть затраченной мощности источника преобразуется в полезную мощность, отдаваемую в нагрузку, тем меньше требуется энергии источника питания для получения требуемой мощности в нагрузке. Оконечные каскады различной мощности (от единиц Вт до единиц КВт) имеются в миллионах приемниках, многоканальной, измерительной аппаратуре, оконечных устройствах, усилительных устройствах радиопередатчиков и т. д. Поэтому проблема повышения КПД в оконечных каскадах усилителей имеет важное экономическое значение для вооруженных сил.

2. Получение максимальной мощности в нагрузке. Условием получения максимальной мощности в нагрузке является согласование выходного сопротивления усилительного элемента с нагрузкой. Условие согласования равенство сопротивления нагрузки выходному сопротивлению усилительного элемента.

3. Получение минимальных нелинейных искажений. Для получения большой мощности на выходе оконечного каскада и особенно большого КПД на вход усилительного элемента необходимо подавать такие амплитуды напряжения, которые предполагают использование большей части характеристики транзистора (лампы), включая и нелинейные участки. При этом форма сигнала искажается, т. е. возникают нелинейные искажения. Т.О., возникает противоречие между требованием получения наибольшего КПД и минимальных нелинейных искажений. Следовательно, в каждом отдельном случае требуется определить условия преодоления этого противоречия, т.е. возможности получения максимального КПД при минимальных нелинейных искажениях.

4. Получение минимальных частотных и фазовых искажений. Решение этой проблемы происходит таким же путем, как и в предварительных каскадах, т.к. причины этих искажений в обоих случаях одинаковы: наличие в схеме реактивных элементов L и C.

Усилительные элементы, используемые в оконечных каскадах

Выбор вида усилительного элемента в оконечном каскаде в основном определяется мощностью, которую он должен отдать в нагрузку.

При мощности свыше 1 кВт используют только электронные лампы генераторные и модуляторные триоды, тетроды, пентоды.

При мощностях в сотни Вт используют лампы и транзисторы.

При мощностях менее 100 Вт использование электронных ламп становиться неоправданным, в таких усилителях используют биполярные и полевые транзисторы

Выбор конкретного типа усилительного элемента зависит от:

  •  допустимой мощности рассеивания на коллекторе (аноде, стоке);
  •  максимального тока коллектора (анода, стока);
  •  допустимого максимального коллекторного (анодного, стокового) напряжения;
  •  предельной частоты устройства.

В мощных каскадах стремятся выбрать электронный прибор такой чтобы, получить от него заданную мощность при его максимальном использовании, т.е. при максимальных переменных токах и напряжениях, близких к допустимым для данного прибора. Методика расчетов по параметрам электронного прибора, которая использовалась в предварительных каскадах с учетом того, что амплитуда входного сигнала незначительна, в данном случае дает уже неверные результаты. Это объясняется тем, что на небольшом участке характеристики ее можно считать линейной и параметры неизменными, а на большом участке характеристики нельзя пренебречь ее нелинейностью, и следует учитывать, что параметры прибора в пределах изменения участка будут меняться. Поэтому такие каскады рассчитывают графически по входным и выходным характеристикам соответствующего электронного прибора.

Режимы работы усилительного элемента

Оконечные каскады могут работать в режимах А, АВ, В. Выбор режима определяется требованиями к данному каскаду. Самый высокий КПД обеспечивает режим В, но в этом режиме и самые большие нелинейные искажения.

Наименьшие нелинейные искажения можно получить в режиме А, но т.к. в этом режиме очень низкий КПД, его применяют только при очень малой мощности, где КПД не играет существенной роли. В усилителях повышенной мощности используют режим В и ВА.

Включение нагрузки

Условием получения максимальной мощности в нагрузке является согласование сопротивления нагрузки с выходным сопротивлением усилительного элемента. При соотношении  непосредственное включение нагрузки в цепь коллектора (анода, стока) нецелесообразно, т.к. в нагрузке выделиться очень малая часть мощности, а большая часть выделиться на УЭ, разогревая его. В данном случае применяют специальное согласующее устройство, например понижающий трансформатор, трансформирующий малое сопротивление нагрузки во вторичной обмотке в большое сопротивление первичной обмотки.

В том случае, когда применение трансформатора неприемлемо, а нагрузка низкоомная, применяют схему с ОК (ОА, ОС), имеющую малое Rвых, что позволяет включить нагрузку непосредственно на входе УЭ.

В некоторых усилителях, работающих на высокоомную нагрузку, например на электронно-лучевую трубку, специальных схем согласования не требуется, т.е. нагрузка может быть включена на выходе схемы с ОЭ (ОК, ОИ).

Способы включения усилительных элементов

В выходных каскадах электронные приборы могут работать в каждой из трех схем включения. Выбор схемы включения зависит от конкретных требований к данной схеме.

Схема с ОЭ (ОКатод) дает наибольшее усиление по мощности, а это означает, что заданную мощность на выходе в данной схеме можно получить при меньшей мощности, отдаваемой предоконечным каскадом.

Схема с ОБ обладает высокой температурной стабильностью, имея 100%-ю ООС по току, создает меньшие нелинейные искажения, дает возможность работать в более широком частотном диапазоне. Схема имеет очень маленькое входное сопротивление, и для согласования с выходом предоконечного каскада требуется входной согласующий трансформатор, схема потребляет большой ток на входе, и предоконечный каскад должен отдавать большую мощность, чем в схеме с ОЭ. Выходное сопротивление этой схемы гораздо больше, чем в схеме с ОЭ, и поэтому требуется обязательно выходной трансформатор для согласования.

Схема с ОК (ОА, ОС), благодаря тому, что она охвачена глубокой ООС, последовательной по напряжению имеет малое входное сопротивление и позволяет произвести бестрансформаторное подключение нагрузки, а большое входное сопротивление легко согласуется с резистивным предоконечным каскадом. ООС уменьшает частотные и нелинейные искажения в каскаде. Однако эта схема имеет наименьшее усиление по мощности, т.к. коэффициент усиления по напряжению меньше 1.

Контрольные вопросы:

1. В чем отличие оконечных каскадов от каскадов предварительного усиления?

2. Перечислить основные требования, предъявляемые к оконечным каскадам.

3. В какой из схем включения УЭ оконечного каскада с ОЭ или ОК потребуется большее напряжение сигнала для подачи на вход, чтобы получить одну и ту же мощность?

2. Однотактные и двухтактные оконечные каскады

Однотактный трансформаторный каскад является основной схемой оконечного каскада в линейных усилителях многоканальной связи (рис. 1). Особенностью однотактного каскада является то, что он работает в режиме А.

Характеристики схемы.

 (Самостоятельно)

(Однотактный трансформаторный усилитель мощности на биполярном транзисторе npn типа по схеме с ОЭ, с комбинированным смещением от базового делителя напряжения (R1, R2 ) и эмиттерного сопротивления RЭ, с трансформаторным выходом, работает в режиме класса А.)

Назначение элементов. (Самостоятельно)

(Назначение элементов аналогично резистивному усилителю по схеме ОЭ. Выходной трансформатор ТV является нагрузкой коллекторной цепи и предназначен для выделения усиленного колебания и передачи его в нагрузку усилителя. Он также выполняет задачу согласования сопротивления транзистора с внешней нагрузкой усилителя и их гальванической развязки.)

Однотактным каскадам усиления присущи следующие особенности:

1. Конструктивная простота.

2. Возможна работа только в режиме класса А. При этом предельное значение КПД теоретически может достигать 50%. Однако практически КПД бывает еще меньше, особенно если предъявляются жесткие требования к уровню нелинейных искажений

3. Выходной трансформатор позволяет оптимизировать условия работы УЭ посредством преобразования сопротивления внешней нагрузки в сопротивление  RнУЭ = Rн / n2 т,   где  – коэффициент трансформации выходного трансформатора усилителя, равный отношению числа витков обмоток; т  КПД трансформатора (т  0,8 0,9).

4. Трансформатор улучшается использование напряжения источника питания, т.к. падение напряжения на сопротивлении первичной обмотки очень мало.

5. Трансформатор не пропускает в выходную цепь постоянные напряжение и ток, существующие в первичной цепи.

6. Достоинством трансформатора является также то, что в нем потери мощности минимальны.

7. Выходной трансформатор позволяет от несимметричной цепи с общим проводом (корпусом) перейти к симметричной (двухпроводной) линии, что иногда необходимо.

8. С применением трансформатора происходит сужение АЧХ усилителя. Сужение АЧХ в ОНЧ обусловлено шунтирующим действием индуктивности выходного трансформатора. Сужение АЧХ в ОВЧ обусловлено наличием паразитной межвитковой ёмкости, шунтирующей нагрузку, и возрастанием сопротивления индуктивности рассеяния.

9. Большие габариты и вес трансформаторов создают невозможность миниатюризации и применения их в интегральных микросхемах.

Многие эти недостатки в значительной степени устраняются построением оконечных каскадов по двухтактной схеме.

Двухтактными называют каскад, содержащие два усилительных элемента, работающие на общую нагрузку, выходные токи которых сдвинуты по фазе на 180о. Каждый УЭ с соответствующими цепями образует плечо двухтактного усилителя. Плечи двухтактного каскада работают в противофазе.

В зависимости от способа управления УЭ двухтактные каскады делятся на:

  1.   Каскад с параллельным управлением двухфазным напряжением сразу двух плеч двухтактной схемы от одного источника сигнала. В таких усилителях используются однотипные УЭ. Для получения двухфазного напряжения сигнала используются либо специальные фазоинверсные каскады (рис. 2), либо трёхобмоточные трансформаторы (рис. 3).
  2.   Каскады с параллельным управлением однофазным входным напряжением. В таких усилителях входной сигнал подаётся сразу на оба плеча схемы от одного источника сигнала, создающего однофазное напряжение, т.е. возбуждение двухтактного каскада ведётся от обычного однотактного каскада. Для противофазной работы плеч в каскадах с параллельным возбуждением используются транзисторы с различным типом проводимости (рис. 4).

Двухтактный трансформаторный каскад

На рис. 5 представлена схема двухтактного транзисторного каскада усиления с трансформаторным входом и выходом.

Верхнее плечо усилителя образует транзистор 1 и верхние полуобмотки трансформаторов ТV1 и ТV2, нижнее плечо включает в свой состав транзистор 2, нижние полуобмотки трансформаторов ТV1 и ТV2. В идеальном случае оба плеча совершенно одинаковы и схема симметрична относительно горизонтальной оси, проходящей через средние точки трансформаторов.

Усилитель может работать как в режиме класса А, так и класса В. Для перевода каскада в режим В достаточно уменьшить напряжение смещения на R2 (увеличить сопротивление R1 и уменьшить R2, либо исключить цепи смещения) до величины обеспечивающей, угол отсечки 900. Рассмотрим режим класса В.

Характеристика схемы. Двухтактный каскад усиления с трансформаторным входом и выходом, последовательного коллекторного питания, со смещением постоянным напряжением, создаваемым током делителя на резисторах R1, R2, собран на транзисторах типа n-p-n по схеме с ОЭ, работающих в режиме класса В.

Назначение элементов. Трансформатор ТV1 предназначен для получения двух одинаковых по амплитуде и противоположных по фазе напряжений, а также согласования сопротивлений источника сигнала со входным сопротивлением усилителя.

Трансформатор ТV2 обеспечивает согласование сопротивлений нагрузки с выходным сопротивлением коллекторных цепей транзисторов.

Конденсатор Сбл1 блокирует R2 по переменному току, уменьшая потери переменной составляющей входного сигнала.

Делитель R1, R2 обеспечивает требуемое положение НРТ на характеристиках транзисторов.

Принцип работы схемы. При отсутствии входного сигнала (U1=0) и включенном источнике питания протекает ток делителя. На резисторе R2 создаётся напряжение смещения, величина которого обеспечивает положение НРТ в начале проходных статических характеристик транзисторов. Оба транзистора закрыты. Через трансформатор ТV2 ток не протекает и напряжение на выходе равно нулю. Таким образом, в статическом режиме постоянные токи через транзисторы не протекают, т.е. в режиме В ток покоя транзисторов практически равен нулю, что уже предопределяет пониженный расход тока питания.

При подаче на вход схемы переменного напряжения, например, гармонического сигнала (U1 0) на вторичных обмотках трансформатора ТV1 образуются два вторичных напряжения, сдвинутых относительно друг друга на 1800 (см. рис. 5). В результате один из транзисторов, например, верхний VT1 переходит в активный режим (открывается) и форма тока через него повторяет форму приложенного напряжения. Импульс тока через верхний трансформатор протекает по цепи: +Еk, верхняя полуобмотка ТV2, К, КП, ЭП, Э, ┴, -Еk. Он индуцирует по вторичной обмотке TV2 импульс тока, протекающий через нагрузку. И в то же время нижний транзистор находится в режиме отсечки и через нижнюю полуобмотку трансформатора ток не протекает.

При смене полярности входного напряжения состояние транзисторов изменяется на противоположное. В этом случае импульс тока под воздействием входного сигнала протекает в нижнем плече каскада по цепи:  +Еk, нижняя полуобмотка ТV2, К, КП, ЭП, Э, ┴, -Еk.  В результате во вторичной обмотке трансформатора ТV2 возбуждается ток обратного направления.

Таким образом, через нагрузку протекает ток, форма которого совпадает с формой управляющего напряжения (U1). Временные диаграммы управляющего напряжения, токов через транзисторы, нагрузку и через источник питания приведены на рис. 6.

Как следует из рисунка ток, через транзисторы представляет собой косинусоидальные импульсы с длительностью, равной половине периода управляющего напряжения. Транзисторы здесь работают строго поочередно: каждый пропускает полуволну тока только в свой полупериод колебания (рис. 6). Во вторую половину периода он заперт и тока от источника питания не потребляет. В этот полупериод работает второй транзистор. Такой режим называют режимом класса В. Токи коллекторов транзисторов VT1 и VT2 можно представить в виде ряда Фурье:

;

Поскольку точки ik1 и ik2 обтекают половины обмоток ТV2 в противоположных направлениях, то результирующий магнитный поток, создаваемый ими, пропорционален их разности. Ток через нагрузку пропорционален магнитному потоку, следовательно, для тока в нагрузке можно записать

Ток в цепи питания усилителя равен сумме токов плеч:

                                  (1)

Из полученных результатов следует:

1. Поскольку выходной ток содержит только нечётные гармоники, в двухтактном каскаде происходит компенсация чётных гармоник токов плеч в нагрузке. Это позволяет снизить уровень нелинейных искажений, используя экономичный режим В.

2. На выходе каскада будут компенсироваться все помехи, наводимые синфазно в плечах как от источника питания, так и от других источников. Это снижает чувствительность усилителя к пульсациям питающего напряжения, что позволяет упростить сглаживающие фильтры в цепях питания.

3. Разностный ток плеч не содержит постоянной составляющей тока, при этом отсутствует постоянное подмагничивание сердечника трансформатора. Это позволяет использовать данный трансформатор при более высоком уровне выходного сигнала или при заданной выходной мощности существенно снизить его габариты, массу, стоимость.

4. Суммарный ток (выражение 1) содержит постоянную составляющую и чётные гармоники. Ток основной частоты сигнала через ИП не протекает, что заметно снижает паразитные межкаскадные обратные связи и упрощает развязывающие фильтры.

Поскольку токи через транзисторы протекают лишь часть периода, а в остальное время транзистор закрыт, то уменьшается мощность рассеяния транзистора, что позволяет в двухтактной схеме усилителя применить транзистор, рассеивающий на порядок меньшую мощность, чем транзистор в однотактном каскаде, работающем в режиме класса А при той же полезной мощности. Расчёты показывают, что КПД в двухтактном каскаде может приблизиться к 78,6 %. Это достигается большим коэффициентом использования коллекторного напряжения и малой величиной постоянной составляющей тока коллектора (режим класса В).

Форма частотных характеристик усилителя мощности определяется частотными свойствами трансформатора. Аналитические выражения для АЧХ совпадают с аналогичными выражениями для однотактного трансформаторного каскада.  

Недостатки трансформаторного каскада:

  •  большие размеры, масса и стоимость;
  •  сравнительно узкая полоса рабочих частот;
  •  искажения и большие фазовые сдвиги на краях полосы пропускания, что препятствует охвату оконечного каскада глубокой ООС, так как нарушается устойчивость;
  •  наличие трансформаторов обусловливает невозможность интегрального исполнения УМ. Существуют дополнительные потери полезной энергии в трансформаторах,  их КПД обычно составляет 0,7 0,9.

Кроме того, режим В хотя и обеспечивает высокий КПД, но вносит повышенные нелинейные искажения, обусловленные кривизной начального участка передаточной характеристики транзисторов Iк(Uбэ), вследствие чего совмещенная характеристика обоих транзисторов (рис. 7, а), представляющая зависимость их разностного тока, имеет подобие ступеньки в окрестности перехода через нуль. Это вызывает так называемые центральные ступеньки на синусоиде разностного тока (рис. 7, б), а значит, и выходного напряжения.

Для их устранения применяется режим АВ, в котором подается небольшое исходное смещение НРТ А1 и А2 транзисторов так, что они оказываются на середине начальных криволинейных участков передаточных характеристик (рис. 8, а). Совмещая характеристики транзисторов по напряжению Uбэ точками А1 и А2, видим, что характеристика разностного тока получается прямой (штриховая линия на рисунке) и ступенек не возникает (рис. 8, б). В режиме АВ при малых токах работают оба плеча одновременно подобно режиму А и нелинейность характеристик плеч взаимно компенсируется.

В режиме АВ при малых амплитудах КПД оконечного каскада понижается (по сравнению с режимом В). Однако общий КПД всего усилителя понижается мало, так как ток покоя оконечных транзисторов обычно бывает меньше общего тока питания предварительных каскадов. Режим АВ для двухтактных каскадов является самым распространенным, поскольку обеспечивает высокий КПД и небольшие нелинейные искажения.

Двухтактные бестрансформаторные каскады

Бестрансформаторные схемы получают всё большее применение. При их реализации легко осуществлять непосредственную связь между каскадами (без разделительных конденсаторов). Они имеют хорошие частотные и амплитудные характеристики, легко выполняются по интегральной технологии, т.к. не содержат громоздкие трансформаторы. Чаще всего бестрансформаторные усилители собирают по двухтактной схеме и работают они в основном в режиме АВ.

Название "бестрансформаторный каскад" в общем случае носит условный характер; дело в том, что, как правило, в усилителях применяются двух-трех элементные составные транзисторы в каждом плече. Поэтому плечо представляет собой двух-трехкаскадный усилитель.

На рис. 9 приведена одна из распространенных схем двухкаскадного бестрансформаторного усилителя мощности с параллельным управлением транзисторами оконечного двухтактного каскада (на VT2 и VT3) однофазным переменным напряжением. Для исключения необходимости двух источников питания сопротивление нагрузки Rн подключено через разделительный конденсатор C2 к одному из полюсов источника Eп. Это возможно потому, что через нагрузку протекает только переменный ток. Напряжение между выводами конденсатора C2 почти постоянно и близко к Eп/2. В режиме АВ, в полупериод когда транзистор VT3 открывается, конденсатор С2 в цепи нагрузки включается последовательно с источником Еп и их напряжения вычитаются, так что итоговое напряжение питания одного плеча равно Еп  ЕС2 = Еп/2, а конденсатор С2 частично заряжается током транзистора VT3. В полупериод работы транзистора VT2 конденсатор с напряжением EC2 = Еп/2 служит источником питания и частично разряжается.

В схемах бестрансформаторных каскадов большой мощности возникает затруднение в выборе комплементарной пары мощных транзисторов с совпадающими или близкими параметрами. Выход применение в плечах двухкаскадной схемы выходного каскада составных транзисторов.

Контрольные вопросы

1. Чем объяснить повышение КПД каскада, если УЭ работает в режиме В?

2. Назовите основные достоинства двухтактных каскадов.

3. Что дает режим АВ в двухтактном каскаде и как он достигается?

4. Зачем в двухтактном каскаде необходимо противофазное управление транзисторами и как это достигается в схемах на рис. 5 и 9?

5. Что дает применение составных транзисторов в бестрансформаторных каскадах?

Методики определения коэффициента гармоник оконечного каскада

(для самостоятельного изучения курсантов

на самостоятельной работе)

Если известна зависимость коллекторного тока от времени, то нетрудно, используя метод гармонического анализа, найти коэффициент нелинейных искажений

,                                        (2)

где - амплитуды гармоник тока коллектора. Их предстоит отыскать.

Амплитуды гармоник выходного тока коллектора можно определить посредством характеристики управления транзистора  при воздействии на вход УЭ гармонических колебаний (рис. 12). Из-за кривизны характеристики ток имеет искаженную (не чисто гармоническую) форму. При разложении этого тока в ряд Фурье можно получить:

,               (3)

где - среднее значение или постоянная составляющая тока коллектора.

Амплитуды гармоник выходного тока коллектора определяют по методам трех (пяти, семи) ординат, которые отличаются количеством отсчетов, выбранных на характеристике, что влияет на точность вычислений. Для инженерных расчетов ограничиваются пятью ординатами. Метод позволяет определить амплитуды первых четырех гармоник. Для этого на характеристике управления отмечают пять точек (рис. 12), соответствующих амплитудным значениям и половинам амплитуд полуволн Uвх, а также значению Uвх=0 (точка покоя), т.е. для точек . Ординаты ik, соответствующие этим пяти точкам, обозначим imax, i0,5, iк0, i-0,5, imin.  Тогда для выбранных точек 1 - 5 выражение (3) запишется в  следующем виде:

;

;

;

;

В результате получили систему из пяти уравнений. Она позволяет найти постоянную составляющую I0 и амплитуды четырех гармоник:

;

;

;      (4)

;

.

Более высокие гармоники являются менее интенсивными, и их можно не учитывать. После этого выражение (2) для коэффициента гармоник запишем так

.            (5)

Для каскада на ПТ метод пяти ординат применяется к передаточной характеристике iс = f (uзи). На практике иногда используют метод трех ординат. Например, оставив только точки 1, 3 и 5, получим метод трех ординат, по которому из выражений (4)

;        ;         .

Он проще, но позволяет определить из всех высших гармоник только вторую, поэтому дает достаточную точность определения КГ лишь при форме передаточной характеристики, близкой  к  квадратичной.

В двухтактном каскаде при оценке амплитуд гармоник необходимо учитывать неполную идентичность плеч каскада. Считают, что выходные токи отличаются от средних в 1+ /2 раз, причем в разных плечах в разные стороны. Здесь называется коэффициентом асимметрии плеч. В результате амплитуды нечетных гармоник токов транзисторов в выходном колебании каскада оказываются удвоенными, а у четных гармоник ввиду их вычитания остается некомпенсированная часть, равная . Определение коэффициента гармоник двухтактного каскада Вам предлагается рассмотреть самостоятельно в часы самостоятельной работы.

При работе каскадов в режиме В, АВ, т.е с отсечкой тока для оценки нелинейных искажений можно применить другой способ, основанный на определении коэффициентов Берга.

Режим с отсечкой - это такой режим работы УЭ, когда ток протекает через него только в течение части периода воздействующего напряжения, то есть имеет форму импульсов и характеризуется следующими параметрами: амплитудой импульса - Imax;  углом отсечки .

Угол отсечки представляет собой половину той части периода колебаний, выраженного в градусах, в течение которого через УЭ протекает ток.

Параметры импульсов можно определить из выражений:

Imax = S Um (1 - cos ),                                      (6)

 или  ,                       (7)

где  крутизна ВАХ, т.е. величина, обратная динамическому сопротивлению:

,

Uотс  напряжение отсечки; U0   напряжения смещения(рис. 13); Um  амплитуда входного сигнала.

При гармоническом воздействии и работе с отсечкой ток через УЭ представляет периодическую последовательность косинусоидальных импульсов. Если представить его тригонометрическим рядом Фурье, коэффициенты которого являются амплитудами спектральных составляющих, то можно увидеть, что отношение амплитуды спектральной составляющей к амплитуде импульса Imax зависит только от угла отсечки :

,  для  k  2.

Коэффициенты называются коэффициентами разложения  косинусоидального импульса (коэффициентами Берга). Эти коэффициенты рассчитаны и для них составлены специальные таблицы и графики рис. 14.

С помощью графика коэффициентов разложения косинусоидальных импульсов можно определить амплитуды гармоник и оценить нелинейные искажения.

Расчет производится в следующем порядке:

1. Определить угол отсечки . Например по формуле: .

2. Определить амплитуду импульса выходного тока графическим методом или по формуле: Imax = S Um (1 - cos  ).

3. Для известного угла отсечки определить коэффициенты k (по таблицам или графикам).

4. Определить амплитуды гармоник: Im = k Imax.

5. Определить коэффициент гармоник: .

Контрольные вопросы

1. Какой режим называется с отсечкой тока?

2. В чем заключается метод трех (пяти, семи) ординат? Чем они отличаются?

ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Задание на самостоятельную работу:

  1.  Изучить материал по рекомендованной литературе. Дополнить конспект лекции.
  2.  Повторить вопрос "Избирательные усилители".
  3.  Самостоятельно изучить вопрос:  методики определения коэффициента гармоник оконечного каскада
  4.  Ответить на контрольные вопросы и вопросы 3.1-3.3 II раздела.

  1.  Решить задачу: По заданной (табл.1) анодно-сеточной характеристике пентода ГУ-50 провести анализ нелинейных искажений для режима работы определяемого напряжением смещения U0 = –25 В и амплитудой напряжения на управляющей сетке Um = 20 В.

Таблица 1

UС1   (В)

-50

-45

-40

-35

-25

-10

0

IА     (мА)

0

20

40

80

200

450

600

Текст лекции разработал:

Старший преподаватель кандидат технических наук доцент

полковник                    п\п             С. Токарев

Рецензент:

Заместитель начальника кафедры

кандидат технических наук

полковник               п\п                   А. Степанов

Тема № 3. Оконечные усилительные каскады

Занятие № 2. Резонансные каскады усиления мощности

Учебные, методические и воспитательные цели:

1. Изучить принципы построения резонансных каскадов усиления мощности их основные характеристики и параметры.

2. Совершенствовать навыки конспектирования лекций. Развивать инженерное мышление.

3. Воспитывать интерес к профессии офицера-связиста.

Время: 2 часа.

План лекции

п/п

Учебные вопросы

Время

(мин.)

I.

ВВОДНАЯ ЧАСТЬ

5

II.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

80

1. Схемы резонансных каскадов усиления мощности.

30

2. Режимы работы резонансных каскадов усиления мощности.

50

III.

ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНАЯ ЧАСТЬ

5

Литература:

  1.  Якушенко С. А., Ершов Ю. К., Журбин Г. Е., Романов А. Г. Основы схемотехники. Учебное пособие: В 2ч. Новочеркасск, НВИС, 2004. Ч. 1 , С. 225-231
  2.  Попов К.Н., Пивоваров В.Ф., Скрипкин Н.П. Военная техника радиосвязи. М.: МО, 1984. – С. 127-148.

Материальное обеспечение:

  1.  Демонстрационное оборудование на основе ПЭВМ; набор демонстрационных файлов: "Резонансные каскады усиления мощности".
  2.  Плакаты: Усилитель мощности КВ диапазона радиостанции Р-161, Усилитель мощности однополосной КВ радиостанции, График коэффициентов Берга, Работа в режим с отсечкой тока.


ВВОДНАЯ ЧАСТЬ

Усилитель мощности (УМ) является составной частью многих устройств, в том числе радиопередатчиков. УМ это техническое устройство, предназначенное для усиления мощности колебаний до заданной величины при возможно высоком коэффициенте полезного действия (КПД) и допустимых нелинейных искажениях.

Усилитель мощности может включать в себя ряд последовательных каскадов. Последний каскад, развивающий заданную мощность в нагрузке, например антенне, называется выходным или оконечным каскадом, а все предшествующие – каскадами предварительного усиления. Каждый каскад является УМ, поэтому термин "усилитель мощности" может относиться как ко всему усилительному тракту, так и к отдельному его каскаду.

Каскады предварительного усиления предназначены для обеспечения мощности, необходимой для возбуждения выходного каскада, при постоянном значении амплитуды напряжения возбуждения во всем диапазоне рабочих частот. Для уменьшения нелинейных искажений каскады предварительного усиления чаще всего работают без отсечки анодного тока (в классе А). Они, как правило, являются маломощными каскадами, поэтому их низкий КПД не оказывает существенного влияния на общий КПД радиопередатчика.

Оконечный каскад является основным потребителем энергии источников питания, поэтому он должен работать с высоким КПД. КПД оконечного каскада в значительной мере определяет КПД всего радиопередатчика, габариты и массу источников питания.

Основными требованиями, которым должен удовлетворять оконечный каскад УМ, являются:

- обеспечение в нагрузке заданного значения мощности с допустимой неравномерностью во всем диапазоне частот при возможно большем КПД и минимальных искажениях сигнала;

- обеспечение заданного ослабления уровня неосновных излучений;

- простота управления и минимальное время перестройки каскада;

- высокая надежность и устойчивость работы в заданных условиях эксплуатации.

Здесь, когда речь идет о потреблении десятков и сотен Вт или даже кВт, работа в линейном режиме, связанная с непроизводительной затратой энергии источников питания становится недопустимой. Поэтому оконечные каскады усилителей мощности работают в нелинейном режиме с отсечкой анодного (коллекторного) тока. Колебательный контур настраивается на первую гармонику возбуждающего колебания и, несмотря на несинусоидальную форму тока, напряжение на нем (при достаточно высокой добротности) оказывается гармоническим. Такой режим неискаженного воспроизведения на выходе гармонического входного колебания называют квазилинейным режимом усиления. Основал квазилинейную теорию анализа нелинейных элементов наш соотечественник ученый-академик АН СССР, инженер-адмирал Аксель Иванович Берг (1893-1979) в 1929 году.

В существующих радиопередающих устройствах большой и средней мощности военной техники связи (ВТС), как правило, в качестве оконечных применяются ламповые резонансные каскады усиления мощности (ЛРУМ), которые и будут рассмотрены на лекции.

  1.  Схемы резонансных каскадов усиления мощности

Резонансный каскад усиления мощности – это каскад, выходная цепь которого (нагрузка усилительного элемента (УЭ)) представляет собой одиночный КК высокой добротности, настроенный на частоту входного сигнала. Среди ламповых РКУМ различают два типа, отличающихся схемой питания анодной цепи.

Схема с последовательным питанием анодной цепи

Характеристика схемы.

Ламповый РКУМ выполнен на пентоде, с последовательным анодным питанием, со смещением на управляющую сетку за счет отдельного источника, с неполным включением колебательного контура в цепь анода и частичным включением нагрузки, с питанием экранирующей сетки через дополнительный резистор, работающий в режиме с отсечкой тока.

Вариант принципиальной схемы лампового РКУМ представлен на рис. 1.

 

Состав и назначение элементов:

VL  электронная лампа, усилительный элемент - для регулирования подачи энергии от источника питания Еа в колебательный контур;

LкCк – избирательная система - для выделения из состава анодного тока лампы спектральных составляющих усиливаемого колебания;

Ea  источник питания, за счет энергии которого происходит усиление мощности колебания;

Eс1 – источник напряжения смещения;

Rc2  резистор для обеспечения питания экранной сетки;

Сc2 конденсатор – для создания пути переменной составляющей тока экранной сетки;

Сбл1, Сбл2 блокировочные конденсаторы – для создания путей переменным составляющим токов управляющей сетки и анодного тока;

ZН – нагрузка усилителя.

Физические процессы.

Физические процессы рассмотрим для случая, когда на вход ЛРУМ подается гармоническое напряжение вида Uвх= Umcсоst. Для анализа используем графический метод (рис. 2).

Величины напряжений Ec1 и Umc  выбираются с таким расчетом, чтобы лампа работала с отсечкой анодного тока. При отсечке тока = 900 УЭ заперт и постоянные токи не протекают.

Под воздействием управляющего напряжения Uвх ток лампы приобретает форму косинусоидальных импульсов. Этот ток является сложным, в его составе имеется постоянная составляющая, ток с частотой управляющего колебания (первой гармоникой) и кратными ей частотами (высшими гармониками).

Постоянная составляющая протекает по цепи: +Еа, Lк, анод-катод VL, -Еа.

Переменная составляющая протекает по цепи: анод VL, LкСк, Сбл2, катод, и в обратном направлении. Колебательный контур LкCк настроен на частоту первой гармоники, представляет для нее большое сопротивление, следовательно, на нем выделятся большое напряжение, которое снимается на нагрузку усилителя. Токи остальных (высших) гармоник, для которых КК имеет малое сопротивление, не создает на нем заметного напряжения.

Таким образом, на выходе УМ выделяется колебание с частотой входного сигнала, но значительно большей мощности, величина которой определяется мощностью развиваемой в анодной цепи лампы, нагруженной на КК. Для обеспечения усиления мощности колебаний в диапазоне частот служит конденсатор переменной емкости Ск, с помощью которого осуществляется перестройка КК.

Достоинством рассмотренной схемы является относительная простота.

К числу недостатков относятся:

  •  наличие высокого анодного напряжения на элементах КК, что усложняет конструкцию элементов КК  (Ск Lк) при использовании этой схемы в мощных усилителях, где анодное напряжение измеряется десятками киловольт;
  •  высокий уровень побочных излучений из-за низких фильтрующих свойств КК.

Схема применяется в передатчиках радиостанций малой и средней мощности, например, P-105M, P-140, P-I37  и др.

Схема с параллельным питанием анодной цепи

Ламповый РКУМ с параллельным питанием - это каскад, у которого источник питания, лампа и ИС включены параллельно (рис. 3, а). Вариант принципиальной схемы лампового РКУМ представлен на рис. 3, б.

Характеристика схемы. Ламповый РКУМ на тетроде с параллельным анодным питанием, со смещением на управляющую сетку от отдельного источника, с перестраиваемым  П-образным фильтром в качестве ИС.

Состав и назначение элементов. Поскольку ряд элементов имеют назначение, аналогичное рассмотренным на рис. 2, то остановимся на новых элементах:

Lдр - заградительный дроссель - для предотвращения протекания переменных составляющих анодного тока через источник Еа;

Ср - разделительный конденсатор, исключает попадание напряжения источника питания Еа в нагрузку;

Lк, Ск1,Ск2 – полосовой фильтр (обычно фильтр Чебышева) - для выделения спектральной составляющей усиливаемого колебания и подавления высших гармоник.

Особенности физических процессов. Физические процессы, связанные с усилением мощности входного сигнала Uвх, аналогичны рассмотренным в схеме рис. 2. Отличие состоит в том, что с помощью элементов  Lдp и Сp разделены цепи постоянной и переменной составляющих анодного тока.

При отсечке тока > 900 , например  =1200 ,через УЭ протекают как постоянные, так и переменные токи:

Ic1: +Ес1, , K, С1, -Eс1;    ~Ic1: зажим 1, С1, K, , Cбл1, зажим 1  и обратно;

Ic2: +Ea, Rс2, С2, K, ,-Eа;.      ~Ic2: С2, Cс2, , K     и  обратно;

Ia: +Ea, Lдр, A, K, , -Ea;          ~Ia: А, Ср, ПФ, , K  и обратно.

К достоинствам схемы следует отнести:

а) высокое качество подавления высших гармоник за счет использования в роли избирательной системы П-образного фильтра нижних частот;

б) меньшие требования к допустимым напряжениям элементов КК (Ск1,Ск2,Lk).

Недостатком схемы является относительная сложность, обусловленная введением дополнительных элементов.

Основные энергетические показатели усилителей мощности

Для сравнения различных РКУМ между собой, а также для оценки их потенциальных возможностей в соответствии с назначением используются следующие энергетические показатели:

1. Колебательная (генерируемая) мощность P~ - это мощность колебаний, выделяемая в КК за счет анодного тока. Часть этой мощности расходуется на собственные потери  в контуре (Pкк), другая  - отдается в нагрузку усилителя PH:

.

Соотношение между Pкк и PH  определяет КПД  контура

.

На резонансной частоте

,                                (1)

где Imа1 - амплитуда первой гармоники анодного тока;

     Uma - амплитуда напряжения на контуре между точками а и k;

      - эквивалентное сопротивление КК (при неполном включении) между точками его включения (a и k на рис. 1);

      - коэффициент включения контура в анодную цепь;

- характеристическое сопротивление КК;

QЭ – эквивалентная добротность КК с учетом потребления энергии внешней нагрузкой контура .

При расстройке КК, когда между первой гармоникой тока Imа1 и напряжением на контуре Um имеется сдвиг по фазе z мощность .

2. Мощность, потребляемая усилителем от источника постоянного тока

P0 =  Iао Eа,                                                  (2)

где  Iао -  постоянная составляющая анодного тока;  

Еа – ЭДС источника анодного питания.

3. Коэффициент полезного действия - отношение колебательной мощности, выделяемой в контуре, к мощности, потребляемой от источника питания,

,                        (3)

где  = Uma/Eа - коэффициент использования анодного напряжения;

 =1/0  - коэффициент формы косинусоидального импульса;

0 и 1 – коэффициенты разложения косинусоидальных импульсов.

Если РУМ работает с углом отсечки  = 90°, то отношение 1/0 = 1,57. Тогда в случае  = 1 КПД равен 78 %. Для сравнения - при работе усилителя в линейном режиме без отсечки тока отношение 1/0 = 1, т.е. КПД при  = 1 равен 50 %.

  1.  Мощность рассеивания на аноде, определяется как разность между потребляемой и колебательной мощностями:

.                                   (4)

Из последнего выражения следует, что мощность рассеивания на аноде лампы определяется КПД усилителя. Так, если  = 50 %, то Pa = Р~. При возрастании  до 75 % на аноде лампы рассеивается мощность в три раза меньше колебательной.

В рассмотренных схемах форма анодного тока значительно отличается от входного напряжения, однако наличие ИС позволяет получить на выходе усиленный по мощности сигнал, форма которого совпадает с входным, т.е. усиление оказывается неискаженным. Таким образом, несмотря на работу УЭ в режиме с отсечкой тока благодаря наличию ИС возможно безыскаженное усиление входного сигнала. Выражения (1) (4) полностью описывают энергетические параметры РКУМ. Наиболее важным является КПД усилителя, т.к. он определяет не только расход энергии источника питания, но и выбор УЭ по мощности, рассеиваемой на выходном электроде.

Контрольные вопросы:

1. Каковы основные требования, предъявляемые к РКУМ?

2. В чем состоит суть квазилинейной теории усиления сигнала?

3. Какова структурная схема РУМ, назначение основных элементов?

4. Охарактеризуйте принципиальную схему и назначение элементов РУМ с последовательным питанием (рис. 1).

5. Охарактеризуйте принципиальную схему  и назначение элементов РУМ с параллельным питанием (рис. 3).

6. Перечислите энергетические показатели РУМ.

7. Приведите выражение для КПД РУМ.

  1.  Режимы работы резонансных каскадов усиления мощности

Для анализа режима работы УЭ с отсечкой тока удобно использовать графическую модель представления колебательных процессов – динамическую характеристику (ДХ).

ДХ - это линия на семействе выходных статических характеристик УЭ, отражающая связь между мгновенными значениями анодного тока ia, напряжениями на аноде ua и сетке лампы при наличии нагрузки в анодной цепи:

,                                 (5)

где     ,    .  

ДХ применяется для качественного анализа работы усилителя при изменении его режимов работы и была предложена в 20-е годы прошлого века советским ученым, академиком АН Шулейкиным Михаилом Васильевичем (18841939 гг.). В дальнейшем эта теория была развита советским академиком Бергом А.И.

Для построения ДХ на семействе статических анодных характеристик лампы РУМ необходимо иметь следующие исходные данные:

  1.  Семейство выходных статических аппроксимированных характеристик УЭ.
  2.  Основное уравнение квазилинейной теории.
  3.  Уравнение ДХ.
  4.  Значения напряжений источников питания: Ес1 - напряжение источника отрицательного смещения в цепи управляющей (первой) сетки лампы; Еа - напряжение источника анодного питания; Umc.- амплитуду входного напряжения; Umа.- амплитуду напряжения на аноде лампы.

Все эти данные могут быть получены из реальных схем, справочного материала путем проведения соответствующих расчетов либо измерений.

Для построения ДХ (рис. 4) воспользуемся результатами аппроксимации выходных характеристик лампы отрезками прямых для случая, когда угол отсечки анодного тока равен 90°. В этом случае величины напряжений источника сеточного смещения и запирания лампы равны Ec1 = Uзап. Анализ будем проводить, опираясь на схему РУМ с колебательным контуром в анодной цепи (рис. 2), однако выводы будут справедливы и для других схем РУМ.

Как на реальных, так и на идеализированных характеристиках можно выделить две характерные области: недонапряженную (ННО) и перенапряженную (ПНО). Границей между областями является геометрическое место точек излома характеристик ламп. Эти точки для идеализированных характеристик лежат на прямой, называемой ЛГР.

Рассмотрим динамический режим работы УЭ, который характеризует зависимость анодного тока лампы от изменения переменных составляющих напряжений на управляющей сетке при заданном режиме по постоянному току (Еа, Ес1, Ес2  заданы).

Для рассматриваемого случая, когда угол отсечки анодного тока равен 900 (рис. 4) динамическая характеристика усилителя, относительно входного напряжения, должна быть представлена прямой АВС', но на участке ВС' анодный ток отсутствует, поэтому точка С оказывается на оси абсцисс. Т.о. ДХ представляет собой ломаную линию АВС, по которой перемещается рабочая точка под действием входного напряжения.

В общем случае идеализированная динамическая характеристика каскада усилителя мощности при работе на активную нагрузку имеет вид линии D O A B C. В зависимости от того где находится НРТ различают следующие основные классы усиления:

А НРТ расположена посередине участка АВ;

В НТР расположена в точке В;

С НТР расположена на участке ВС (кроме точек В и С).

Режимы работы усилителя мощности

В зависимости от вида и положения ДХ на выходных статических характеристиках УЭ различают три основных динамических режима работы: перенапряженный, граничный и недонапряженный. Упрощенные построения ДХ для этих видов работы при Uс = Ес = Uзап приведены на рис. 6, а, б, в соответственно.

Перенапряженным режимом  называют такой режим работы РУМ, когда его ДХ заходит на участок АОD (рис. 5). Из рисунка следует, что характерными особенностями ПНР являются:

1. Наличие излома ДХ в области малых значений напряжения на аноде Ua.

2. Провал на вершине импульсов анодного тока. В сильноперенапряженном режиме (ДХ при этом заходит на участок ОD) провал может достигать оси абсцисс, т.е. импульс раздваивается.

3. Высокий коэффициент использования анодного напряжения   1 (для современных РУМ = 0,9 0,99), поэтому КПД высок. 

4. Перераспределение катодного тока в результате низких напряжений на аноде открытой лампы, что приводит  к возрастанию тока экранной сетки, а значит, тяжелому тепловому режиму для неё. Лампа при этом работает в критическом режиме.

Граничным режимом  - называют такой режим работы, при котором ДХ доходит до ЛГР и заканчивается на ней (точка А). Характерными являются следующие особенности граничного режима:

1. Импульс анодного тока имеет косинусоидальную форму с незначительным уплощением вершины.

2. Коэффициент использования анодного напряжения близок к единице,   1 (для современных РУМ = 0,7 0,9).

Граничный режим РУМ, благодаря значительной величине импульса анодного тока (Ia max) и высокому коэффициенту использования анодного напряжения , имеет КПД, близкий к максимально возможному, и в этом смысле является оптимальным.

Недонапряженный режим - это такой режим работы РУМ, когда ДХ не доходит до ЛГР (до точки А). Характерными являются следующие особенности ННР:

1. Динамическая линия заканчивается на пологом участке анодной характеристики лампы. Импульсы анодного тока имеют остроконечную форму.

2. Коэффициент использования анодного напряжения имеет малую величину  (для современных РУМ < 0,7). Следовательно, КПД невелик и, как следствие, большая величина мощности, рассеиваемая на аноде.

Влияние различных факторов на режим работы

При проектировании и эксплуатации важно знать, как влияют на режим работы возможные изменения нагрузки, управляющего и питающих напряжений. Рассмотрим  подробнее каждый из этих факторов.

Влияние величины сопротивления нагрузки

Влияние сопротивления нагрузки заключается и в том, что от его величины зависит угол наклона ДХ. Строгий математический анализ показывает, что характер этой зависимости определяется выражением

,

где   эквивалентное сопротивление нагрузки каскада (рис. 7);

- угол наклона ДХ,

- угол отсечки анодного тока,

1- коэффициент Берга, пропорциональный амплитуде первой гармоники анодного тока,

Rэо – эквивалентное резонансное сопротивление ИС.

Следовательно, увеличение RНоответственно RЭН) приводит к уменьшению угла наклона ДХ, а это в свою очередь -  к изменению режима работы РУМ, что наглядно демонстрирует рис. 8.

Таким образом, если при постоянной величине амплитуды управляющего напряжения Umс увеличивать RЭH, то каскад переходит из ННР в ГР, а затем и в ПНР. Естественно, при этом изменяются энергетические показатели. Для оценки зависимости энергетических показателей от величины нагрузки (Rэ0) используется НХ (рис. 9, а). На рис. 9, б показаны графики изменения токов и напряжения на нагрузке. Выбор величины RЭ0 влияет на амплитуду анодного тока Ima и на амплитуду напряжения Uma (), изменяя энергетические соотношения УМ: , , , . Анализ графиков показывает, что существует оптимальное сопротивление , при котором полезная мощность и КПД каскада достигают максимальных значений. При этом величина  соответствует ДХ для слегка ПНР, близкого к ГР.

При уменьшении сопротивления контура ( < ) крутизна ДХ возрастает, уменьшается амплитуда напряжения на аноде лампы  (при фиксированном значении каскад работает в ННР). С уменьшением  уменьшается выходная мощность  и КПД каскада, потребляемая каскадом мощность Р0 практически не изменяется, поэтому возрастает мощность тепловых потерь на аноде лампы , вызывая опасность выхода лампы из строя вследствие перегрева анода.

При увеличении сопротивления контура (>) крутизна ДХ уменьшается, сама она претерпевает излом, каскад работает в ПНР. С увеличением  уменьшается амплитуда импульса анодного тока , увеличивается глубина провала вершины импульсов, в связи с чем уменьшается постоянная составляющая и амплитуда первой гармоники анодного тока, вызывая уменьшение потребляемой мощности Р0 и полезной мощности Р~. Скорость нарастания заметно падает, т.к. в произведении  сомножители изменяются в противоположных направлениях. Очевидно, что колебательная мощность Р~  будет иметь максимум в районе излома графиков и , т.е. вблизи ГР, а мощность Р0 повторяет закон изменения . Характерно резкое уменьшение мощности, рассеиваемой на аноде, , при переходе к ГР. КПД каскада при этом снижается незначительно и достигает максимума в слегка ПНР, причем он резко меняется в области Rэo<<Rэгр. и лишь незначительно спадает в ПНР. Это объясняется тем, что в ПНР уменьшается , но одновременно и падает за счет уменьшения постоянной составляющей тока. При переходе от ГР в область Rэo<<Rэгр  происходит резкое увеличение . В этом случае анод лампы может быть разрушен, т.к. вся энергия источника расходуется на аноде.

Анализ НХ, приведенной на рис. 9, показывает, что оптимальным с энергетической точки зрения является ГР или слегка ПНР, т.к. при этом УМ отдает максимальную колебательную мощность в контур при высоком КПД и сравнительно небольших нелинейных искажениях. Это учитывают при проектировании схем РКУМ.

Влияние расстройки контура

Рассмотрим, как изменяются основные энергетические показатели РКУМ при расстройке анодного контура. Расстройка может быть вызвана неточностью настройки анодного контура на частоту сигнала , а также влиянием различных дестабилизирующих факторов. Это приводит к изменению реактивных параметров контура и, как следствие, к изменению его резонансной частоты . В процессе перестройки изменяется сопротивление контура

.

На резонансной частоте контур имеет максимальное сопротивление  (рис. 10, а). Следовательно, пока контур не настроен, его сопротивление мало и РУМ находится в ННР, для которого характерны высокий КПД и большая мощность, рассеиваемая на аноде (рис. 10, б). Энергетические показатели соответствуют графикам на рис. 9, а при движении от точки Rэгр влево как при уменьшении, так и при увеличении частоты относительно резонансной. Отличие состоит в том, что при расстройке КК выходная мощность  уменьшается быстрее:

,

где - сдвиг по фазе в контуре между током и напряжением.

Анализ рис. 9 и 8, б позволяет выработать следующие практические рекомендации:

1. Настройку КК можно проводить по минимуму постоянной составляющей анодного тока либо по максимуму напряжения на нем, включая измерительные приборы соответствующим образом.

2. Необходимо следить за настройкой контура и проводить ее при пониженном анодном напряжении, чтобы не вывести из строя лампу, т.к. отход от резонанса (f    f0) сопровождается резким увеличением Ра.  

Влияние амплитуды напряжения возбуждения

Построение импульсов анодного тока, выполненное при работе с углом отсечки 900 для трех значений амплитуды напряжений на сетке, показано на рис. 11, откуда видно, что увеличение возбуждающего напряжения сопровождается переходом от ННР к ГР и ПНР. В рассмотренном частном случае при наклон ДХ особенно для ННР и ГР можно считать постоянным, т. к. для любой амплитуды входного сигнала , а следовательно, и . В этом случае первая гармоника и постоянная составляющая анодного тока линейно связаны с амплитудой напряжения возбуждения:

;  .

При других углах отсечки наблюдается отклонение от линейности функции , т.к. угол и коэффициент оказываются зависимыми от амплитуды напряжения возбуждения (рис. 12). Это создает определенные трудности для усиления амплитудномодулированных колебаний (сигнала с  амплитудной и однополосной модуляцией) с высоким КПД.

Таким образом, для неискаженного усиления колебаний, модулированных по амплитуде, требуется угол отсечки 900. В других случаях () постоянство режима работы обеспечивается, если усиливать колебания, амплитуда которых постоянная, например колебания с угловой модуляцией или колебания с малой величиной пикфактора.

Влияние питающих напряжений

Влияние питающих напряжений оценивается с помощью ДХ.

Влияние напряжения смещения на положение ДХ для различных напряжений смещения приведены на рис. 13. Из рисунка следует, что изменение напряжения смещения приводит к изменению режима работы, а следовательно, и энергетических показателей РУМ. При уменьшении (по абсолютной величине) напряжения смещения  увеличивается угол отсечки и максимальное напряжение на управляющей сетке , соответственно возрастает амплитуда импульса тока анода. Усилитель переходит от ННР к ГР и далее в ПНР. Значения токов и в ННР быстро линейно растет благодаря увеличению и ( ; ). По достижении ГР в импульсе тока появляется впадина и рост этих токов резко замедляется. При уменьшении  ДХ А1В1÷А3В3 передвигается вверх. Одновременно изменяется и угол наклона . Пока нет провала импульса тока, заметно уменьшается: , что объясняется ростом амплитуды первой гармоники тока (т.к. ). При переходе в ПНР рост  замедляется, угол наклона ДХ почти не меняется .

Необходимо также отметить, что превышение амплитуды входного сигнала максимально допустимого значения приводит к его нелинейным искажениям, т.к. УМ переходит в ПНР.

Влияние анодного напряжения на ДХ при различных напряжениях источника питания приведено на рис. 14. Различным анодным напряжениям соответствует режим работы усилителя, который переходит от ННР к ГР и далее в ПНР.

В заключение отметим:

1. Результаты анализа воздействия перечисленных факторов (нагрузки, расстройки, управляющего и питающих напряжений) на режим работы РУМ позволяют вырабатывать практические рекомендации, учитывая которые можно значительно повысить надежность работы и увеличить срок его службы.

2. Для обеспечения оптимального режима РУМ необходимо поддерживать постоянными напряжения питания, т.е. источники питания должны быть стабилизированными.

Контрольные вопросы

1. Перечислите режимы работы РКУМ по виду ДХ.

2. Какой режим называется ННР? Каковы го достоинства и недостатки?

3. Какой режим называется ГР? Каковы го достоинства и недостатки?

4. Какой режим называется ПНР? Каковы го достоинства и недостатки?

5. Каково влияние сопротивления нагрузки на режим работы усилителя?

6. Каково влияние расстройки КК на режим работы усилителя?

7. Каково влияние амплитуды входного сигнала на режим работы усилителя?

8. Каково влияние питающих напряжений на режим работы усилителя?

9. Какой режим работы РКУМ имеет максимальное значение КПД?

10. В каком режиме работы выделяется максимальная мощность в нагрузке?

11. Какой режим работы РКУМ называется оптимальным?

12. Как изменится положение ДХ на ВАХ усилительного элемента при обрыве внешней нагрузки?

13. Как изменится положение ДХ на ВАХ усилительного элемента при коротком замыкании внешней нагрузки?

14. Какая величина угла отсечки тока УЭ должна быть в УМ сигналов ОМ?

ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Задание на самостоятельную работу:

  1.  Изучить материал по рекомендованной литературе. Дополнить конспект лекции.
  2.  Самостоятельно изучить вопрос: выбор режима работы усилителя мощности при различных видах радиосигналов Л3, стр. 148-151;

3. Ответить на контрольные вопросы и вопросы 3.4-3.7 II раздела Рабочей тетради.

Текст лекции разработал:

Старший преподаватель кандидат технических наук доцент

полковник                    п\п             С. Токарев

Рецензент:

Заместитель начальника кафедры

кандидат технических наук

полковник               п\п                   А. Степанов

Тема № 3. Оконечные усилительные каскады

Занятие № 3. Широкополосные усилители мощности

Учебные, методические и воспитательные цели:

1. Изучить принципы построения широкополосных усилителей мощности.

2. Совершенствовать навыки конспектирования лекций. Развивать инженерное мышление.

3. Воспитывать интерес к профессии офицера-связиста.

Время: 2 часа.

План лекции

п/п

Учебные вопросы

Время

(мин.)

I.

ВВОДНАЯ ЧАСТЬ

5

II.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

80

1. Усилители мощности на коммутируемых фильтрах.

30

2. Усилители мощности с распределенным усилением.

30

3. Усилители мощности со схемами сложения.

20

III.

ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНАЯ ЧАСТЬ

5

Литература:

  1.  Якушенко С. А., Ершов Ю. К., Журбин Г. Е., Романов А. Г. Основы схемотехники. Учебное пособие: В 2ч. Новочеркасск, НВИС, 2004. Ч. 2 , С. 19-22, 29-34, 51-56.
  2.  Попов К.Н., Пивоваров В.Ф., Скрипкин Н.П. Военная техника радиосвязи. М.: МО, 1984. – С. 179-182, 198-205, 224-231.

Материальное обеспечение:

1.Плакат: Усилитель мощности КВ диапазона радиостанции Р-161.

2.Демонстрационное оборудование на основе ПЭВМ, набор демонстрационных файлов.

ВВОДНАЯ ЧАСТЬ

Основным недостатком РУМ является необходимость перестройки избирательной системы при каждой смене рабочих частот передающего устройства. На перестройку затрачивается сравнительно большое время tн, которое исчисляется десятками секунд. Этот недостаток не позволяет использовать РУМ в современных приемопередающих устройствах, к которым предъявляются высокие требования по оперативности перестройки частот (десятые сотые доли секунды), обусловленные новыми видами сигналов, например, с программно перестраиваемой частотой. Для реализации этих требований необходимы УМ, которые способны практически мгновенно работать на любой частоте диапазона. Такие усилители называют широкополосными. Их использование в технике связи, кроме того, позволяет существенно повысить техническую надежность и долговечность, уменьшить вес и габариты передающих устройств, а также упростить задачу автоматизации процесса смены частот.

Деление усилителей на широкополосные и узкополосные производится по соотношению полосы усиления  и максимальной ширины спектра используемых сигналов. В узкополосных усилителях полоса усиления соизмерима с полосой, необходимой для обеспечения требуемой точности передачи сигналов, т.е. . К ним относятся резонансные усилители, перестраиваемые при каждой смене частоты возбудителя. Для широкополосных усилителей должно выполняться условие , и при смене частот в пределах  усилитель не перестраивается. В качестве широкополосных могут использоваться различные типы транзисторных и ламповых усилителей: резисторные с элементами коррекции и без них;

  •  резонансные с пониженной добротностью контуров;
  •  усилители на коммутируемых фильтрах;
  •  усилители с распределенным усилением и др.

Основное ограничение на полосу усиления накладывают паразитные параметры УЭ: входные и выходные емкости ламп и индуктивности вводов мощных транзисторов.

1. Усилители мощности на коммутируемых фильтрах.

Усилитель мощности на коммутируемых фильтрах - это усилитель ИС которого представляет собой набор фильтров (ПФ или ФНЧ). В зависимости от частоты усиливаемых колебаний, к УЭ подключается тот или иной фильтр. На рис.1 приведена схема усилителя.

На схеме Ф1-Фn  фильтры, они подключаются к выходу УЭ, а к ним подключается нагрузка (Н). Переключение осуществляется переключателями S1 и S2.

В качестве фильтров применяют полосовые или ФНЧ Чебышева. ПФ обеспечивают лучшее "подавление" побочный колебаний при меньшем числе элементов и они используются чаще. ФНЧ имеют меньшие массогабаритные параметры и их применяют в усилителях большой и средней мощности.

Коэффициент перекрытия полосы пропускания фильтра (рис.2) обычно выбирают f2/f1 = 1.51.7, т.е. примерно октава (октава  двукратное изменение частоты f2/f1 = 2).

Полосы пропускания фильтров fФn выбираются таким образом, чтобы обеспечивалось их некоторое взаимное перекрытие (рис.2).

Количество фильтров n определяется диапазоном рабочих частот, так для диапазона коротких волн, обычно применяют 10-12 фильтров. 

К достоинствам схемы следует отнести:

а) высокую скорость частотной перестройки, которая определяется только временем переключения фильтров, а в полосе пропускания фильтров усилитель является идеальным. Упрощается процесс настройки и автоматика;

б) высокое качество подавления высших гармоник за счет использования в роли избирательной системы ФНЧ Чебышева или ПФ;

в) повышение надежности усилителя за счет уменьшения числа электромеханических элементов (отсутствуют конденсаторы (индуктивности) переменной емкости (индуктивности), переключатели поддиапазонов и др. механические элементы перестройки). Коммутация фильтров осуществляется с помощью диодных матриц, герконов или быстро переключающихся механических устройств (высокочастотных реле);

г) режим работы выбирают с отсечкой, как правило, при = 120°. При этом снижаются требования к фильтрам, т.к. уменьшается амплитуда второй гармоники Imа2 (для  = 90° 2 = 0,2, а для = 120°  2 = 0,12). Это позволяет создать надежную схему коммутации и значительно снизить массогабаритные показатели УМ.

Недостатком схемы является: относительно  невысокий КПД (), т.к. = 120° по сравнению со схемой РУМ с = 900 ; повышение габаритов усилителя за счет увеличения количества фильтров избирательной системы и относительная сложность, обусловленная введением дополнительных элементов.

Рассмотренная схема используется в радиостанциях комплекса "Поиск" - Р-l61A2M  и Р-161У. В них в качестве ИС применяют 10 переключаемых неперестраиваемых пятизвенных ФНЧ Чебышева лестничной структуры.

2.Усилители с распределённым усилением

При необходимости получения высокого выходного напряжения при полосе частот порядка десятков мегагерц или необходимости пропускать сверхширокую полосу частот – до сотен мегагерц – используется усилители с распределённым усилением (УРУ), каскады которых содержат по нескольку усилительных элементов. УРУ находят применение во многих радиоэлектронных и радиотехнических устройствах, и в частности, в выходном каскаде усиления передатчика  Р-161 5.

В отличие от резонансных или полосовых УРУ не требуют перестройки при переходе от одной частоты к другой.

Верхняя частота лампового УМ определяется соотношением

,

где S  крутизна лампы; Ca  выходная емкость лампы; KU  коэффициент усиления по напряжению.

Предельное отношение верхней частоты диапазона ограничено соотношением

,

т.к. KU при этом равно 1. Отношение определяется лишь параметрами лампы и не может быть увеличено за счет простого параллельного соединение n – ламп, т.к. увеличивается в n раз общая крутизна, однако при этом приблизительно в n раз увеличивается шунтирующая ёмкость.

Для решения этой проблемы была предложена идея синфазного сложения токов (увеличения крутизны) нескольких совместно работающих ламп без суммирования входных и выходных емкостей путем их включения в две искусственные линии задержки (анодной и сеточной) (рис. 3).

Для установления режима бегущей волны характеристические сопротивления звеньев искусственной линии берутся равными нагрузочным сопротивлениям

  

где С1 и С2 – составляющие шунтирующей ёмкости С0.

Для получения одинаковой скорости распространения волн в обеих линиях произведения LcС1 и LaС2 должны быть равны.

Рис. 3

Принцип работы усилительного каскада

Входное напряжение, подаваемое на управляющую сетку, одновременно вызывает изменение её анодного тока на величину SU1. Так как скорости распределения бегущих волн по обеим линиям одинаковы, то к моменту прихода на сетку лампы V2 волны напряжения, к её аноду придёт волна тока от первой лампы, которая сложится и изменением анодного тока лампы V2, и т.д. После прохождения n ламп создаётся выходной ток, в n раз превышающий изменение тока одной лампы без увеличения шунтирующей ёмкости.

Каскады с распределённым усилением в основном выполняются на лампах, т.к. при выполнении схемы на транзисторах возникают дополнительные трудности, ибо входное сопротивление транзистора может оказаться одного и того же порядка с характеристическим сопротивлением искусственной линией.

Контрольные вопросы:

  1.  Какими существенными достоинствами обладают схемы усилителей мощности на коммутируемых фильтрах?
  2.  Какие функции выполняет фильтр в УМ на коммутируемых фильтрах?
  3.  Чем определяется количество фильтров в УМ на коммутируемых фильтрах?
  4.  Почему в УМ-КФ угол отсечки выбран равным 1200?
  5.  Охарактеризуйте способ расширения полосы пропускания  в УРУ.

3. Усилители мощности со схемами сложения

В последние десятилетия одной из тенденций в развитии УМ является все более широкое применение транзисторов. Транзисторы отличаются от ламп практически мгновенной готовностью к работе и значительным сроком службы.

Высокочастотные транзисторы, выпускаемые отечественной промышленностью, способны генерировать мощность до 200 250 Вт в КВ-УКВ диапазонах. При получении колебательной мощности свыше 200 Вт от одного-двух транзисторов возникают трудности конструктивного и технологического характера. Поэтому построение транзисторных усилителей с выходной мощностью 500 Вт и более осуществляется с использованием модульного принципа, при котором выходная мощность в общей нагрузке достигается суммированием мощностей отдельных усилительных модулей.

Одним из вариантов построения схемы сложения мощностей приведен на рис. 4.

Схема содержит 3 степени усиления, 2 ступени деления и 2 ступени сложения мощности "+". Все усилители одной и той же ступени одинаковы, но в различных ступенях они могут быть различными.

К таким схемам предъявляются следующие требования:

1. Схема сложения должна быть такой, чтобы общая мощность в нагрузке, слагаемая из мощностей N усилителей одного и того же сигнала, каждый из которых отдает в согласованную нагрузку номинальную мощность P1, равнялась Робщ = NP1 .

Это требование называется условием сложения мощностей.

2. Входы схем сложения должны быть развязаны между собой, т.е. изменения в режиме работы любого из усилителей не должны влиять на работу всех остальных усилителей, которые по-прежнему должны отдавать в схему свою номинальную мощность.

Это требование называется условием взаимной независимости входов схем сложения.

3. При выходе из строя М  усилителей мощность должна упасть на возможно меньшую величину т.е. в лучшем случае равную МР. Это требование называется условием уменьшения мощности.

Возможный вариант построения схемы двухтактного широкополосного транзисторного усилителя, который может быть использован в качестве модуля, был рассмотрен в лекции 3.1 рис. 5. 

Рассмотрим аналогичную схему рис. 5.

Характеристика схемы. Двухтактный широкополосный транзисторный  УМ, собранный на БПТ по схеме с ОЭ, с параллельным питанием коллекторных цепей, со смещением от отдельного ИП, с коррекцией частотной зависимости коллекторного тока за счет цепочек R1С1, с выходными и входными симметрирующими и развязывающими трансформаторными устройствами ((трансформаторы Т1, Т2 и Т3, Т4)), работающий в режиме класса АВ.

Состав и назначение элементов.

К основным элементам относятся: транзисторы плеч VТ1 и VТ2; источник коллекторного питания Ек и нагрузка коллекторных цепей по переменному току TV3. Их назначение аналогично назначению соответствующих элементов двухтактного УМ НЧ, рассмотренного в подразделе 9.

Источник питания базовых цепей транзисторов Еб предназначен для выбора НРТ на ВАХ транзисторов. Низкие входные и выходные сопротивления мощного транзистора делают предпочтительней параллельную схему питания коллекторных и базовых цепей. Элементы сглаживающих фильтров источников питания базовых и коллекторных цепей LДр,Cбл предназначены для развязки цепей переменного и постоянного токов.

Корректирующая цепь R1,C1 предназначена расширения АЧХ усилителя в ОВЧ. Сопротивление R2 позволяет получить требуемую величину коэффициента усиления по току на НЧ.

На входе и выходе УМ используются симметрирующие трансформаторы (TV1 и TV4) и развязывающие устройства в виде трансформаторной дифференциальной системы (ДС), TV2, Rб и TV3, RГ. Рассмотрим их принцип работы.

Принципы построения элементов УМ и особенности их работы. Достаточным условием обеспечения симметрирования является соответствующее схеме рис. 5 включение трансформаторов (TV1, TV4) и выбор индуктивности L обмоток трансформатора такой, чтобы их сопротивление на самой нижней частоте было больше, чем сопротивление нагрузки , выбираемое равным волновому , т.е.

.

Применительно к входным трансформаторам - .

Здесь L – индуктивность обмоток трансформатора; Rвх – входное сопротивление двухтактной схемы;  Rн – сопротивление нагрузки двухтактной схемы УМ.

Принцип работы развязывающих устройств поясним с помощью рис. 6, на котором изображена схема дифференциальной системы с трансформатором эквивалентная трансформаторам  TV2, TV4 схемы УМ.

Суть развязывания заключается в следующем. Если отвод сделан от середины обмотки трансформатора, а сопротивления на каждом из входов выбраны в соответствии с рис. 6,а, то такая ДС называется сбалансированной и согласованно нагруженной. В этом случае сопротивление передачи или затухание между входами 1-1 и 3-3,  2-2 и 4-4 равно бесконечности.

При включении источника к зажимам 1-1 его мощность делится поровну между входами 2-2 и 4-4, но не выделяется на входе 3-3 (отсутствует влияние на второй вход). В случае одновременного возбуждения со стороны входов 1-1 и 3-3 и при противофазности источников, что имеет место в двухтактной схеме для первой и нечётных гармоник, вся мощность будет выделяться в полезную нагрузку усилителя Rн (рис. 6,в). Для четных гармоник источники включены синфазно, и их мощность будет рассеиваться в сопротивлении Rг, но на вход усилителя попадать не будет.

При согласованной нагрузке в УМ обеспечивается независимая работа плеч схемы, т.е. при выходе из строя одного транзистора режим другого не изменится, но мощность, отдаваемая им, разделится пополам между нагрузкой Rн и резистором Rг.

Выходные развязывающие устройства оказывают влияние на режимы работы транзисторов и энергетические показатели УМ по сравнению с простой двухтактной схемой. Так при наличии сопротивления Rг четные гармоники участвуют в формировании напряжения на коллекторах

,

где - амплитуда импульса коллекторного тока;

0,5 - сопротивление нагрузки плеча двухтактной схемы.

Поэтому ДХ транзистора будет иметь вид, представленный на рис. 7,а.

Выходное напряжение будет определяться лишь амплитудой первой гармоники коллекторного тока, т.к. четные гармоники в нагрузке УМ компенсируются

.

Полученное значение КПД дает незначительный выигрыш по сравнению с работой транзисторов в классе А, т.е. наличие развязки плеч двухтактной схемы повышает надежность работы транзисторов ценой ухудшения энергетических показателей.

Коэффициент полезного действия можно увеличить, зашунтировав сопротивление Rг по высокой частоте (рис. 5) блокировочным конденсатором Сбл. При отсутствии Rг ДХ будет иметь вид, представленный на рис. 7, б. В этом случае при прежней величине коллекторного напряжения Еk можно получить несколько большую выходную мощность и более высокий КПД:

,

где  - коэффициент использования коллекторного напряжения, определяемый первой гармоникой тока.

Отсутствие в схеме Rг не ухудшает подавление четных гармоник, однако оба плеча оказываются взаимосвязанными, как в обычной двухтактной схеме, т.е. изменение режима одного транзистора вызывает изменение режима другого (переход в сильно ННР, тяжелый тепловой режим).

В заключение отметим, что в обычной двухтактной схеме, выходной трансформатор, схема которого показана на рис. 5 выполняет три основные функции, обеспечивая:

трансформацию сопротивления нагрузки Rн в граничное сопротивление УЭ;

переход от симметричного выхода усилителя к несимметричной нагрузке;

подавление четных гармоник токов УЭ.

Схемы сложения мощностей

В качестве схем сложения в транзисторных передатчиках широкое применение находят мостовые схемы рис. 8.

Мостовой метод сложения состоит в том, что два усилителя (U1, R1 и U2,R2)  включаются в диагонали моста, образованного активными сопротивлениями, два из которых называются нагрузочными Rн, а два других-балансными Rб. При балансе моста усилители работают независимо друг от друга. Мощности, которые выделяются на сопротивлениях плеч, равны:

  •  на нагрузочных сопротивлениях

Rн = 0,5I1+0,5I222Rн  = I1+I22Rн

  •  на балластных  сопротивлениях  

Rб = 0,5I1+0,5I222Rб  = I1-I22Rб

Здесь I1 - комплексное действующее значение тока усилителя U1, R1/

         I2 - комплексное действующее значение тока усилителя U2,,R2

При равенстве токов и совпадении их по фазе (I1 = I2 = I) вся мощность усилителей выделяется в нагрузочном сопротивлении

Рн = 2I2 Rн

а в балансном  сопротивлении

Рбал = 0.

В общем случае, когда работают оба усилителя токи создаваемые ими, не равны по амплитуде  и не совпадают по фазе, т.е. I2 = I1е j 

Здесь:    - коэффициент соотношения токов

             - разность фаз между токами.

При этом КПД схемы сложения , равный отношению мощности в нагрузке к суммарной мощности, определяется соотношением :

                    

На рис. 9 приведены графики зависимости   = (  )

Из  графика следует, что  наибольший КПД получается при одинаковых, амплитудах складываемых колебаний с равными фазами. При необходимости выделения полезной мощности в одном сопротивлении нагрузки и использовании одного балластного сопротивления в плечах моста включаются трансформаторы, во вторичные обмотки которых включается ток, как показано на рис.10.

В данной схеме суммарная мощность двух источников с помощью вторичных обмоток трансформаторов Т3, Т4 выделяются на нагрузочном сопротивлении  величиной Rн/2.

С помощью более сложных схем можно осуществить сложение мощности большего числа усилителей.

При конструктивном выполнении мощного усилителя (рис.4) каждый усилитель или группа усилителей совместно со схемами деления и сложения собираются на отдельной плате или небольшом радиаторе, образуя отдельный блок или модуль.

Для создания усилителей с заданным уровнем выходной мощности необходимо определенным образом соединить между собой отдельные модули. Такой принцип построения называется модульным.

Существующие мощные высококачественные транзисторы и схемы сложения мощностей обеспечивают реальную возможность создания радиопередатчиков мощностью 1-10 кВт, полностью на полупроводниковых приборах.

Таким образом:

1. Усилители мощности, построенные на транзисторах, обладают рядом особенностей, которые необходимо учитывать при настройке ТРУМ.

2. Мощность, получаемая с помощью одного каскада ТРУМ ограничена, поэтому для создания мощных усилителей используется сложение мощностей.

3. Наиболее распространенной схемой сложения мощностей является мостовая схема.

Контрольные вопросы:

  1.  Какие цепи коррекции в базовых цепях используются для расширения полосы пропускания в транзисторных широкополосных УМ?
  2.  Какие основные функции выполнят выходной трансформатор?
  3.  Перечислите условия получения максимальной мощности в мостовой схеме.
  4.  Каковы основные достоинства и недостатки транзисторных широкополосных УМ?

ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Задание на самостоятельную работу:

  1.  Изучить материал по рекомендованной литературе. Дополнить конспект лекции.
  2.  Повторить из курса дисциплины "Электроника" принципы построения операционных усилителей.
  3.  Ответить на контрольные вопросы.

Текст лекции разработал:

Старший преподаватель кандидат технических наук доцент

полковник                    п\п             С. Токарев

Рецензент:

Заместитель начальника кафедры

кандидат технических наук

полковник               п\п                   А. Степанов


Рис.
 1

Rэ

VT

+ Ек-

R1

R2

Rн

Сэ

EMBED Equation.3  

Ср1

Uвх

Сбл

2

2΄

Uвх

RнУЭ

а)

TV

Rэ

Rk

УЭ1

УЭ21

RН

Ср1

Ср2

+

-

Рис. 2

УЭ1

УЭ21

RН

Ср1

Ср2

Рис. 3

TV

+

-

б)

VD

Rk

Н

Ср1

Рис. 4

+

-

VT

УЭ1

УЭ2

R1

R2

RН

U1

ТV2

ik1

Сбл1

Рис. 5

U2

VТ1

iT

ik2

VТ2

ТV1

Сбл2

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

-    Ек +

+

+

-

-

Ik2

0

t

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

Imax

Iн

0

U1

0

Ik1

0

IЕ

0

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

Рис. 6

t

t

t

t

б) 

а) 

Рис. 8

А2

А1

Uб0

Iк1

I0к1

Uбэ1

t

Uвх

Iк

Uбэ2

Iк2

I0к2

Рис. 7

Iк1

iб1

t

iб2

Uбэ1

Uвх

а) 

Uбэ2

Iк2

б) 

EMBED Visio.Drawing.6  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

UБ

Uвх

Рис. 12

imax

imin

1

iк0=i0

i-0,5

i0,5

2

3

4

5

Um1

Um1

Um1/2

Um1/2

t

Ik

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

8

7

6

5

4

3

2

1

Ik,мA

t

0

EMBED Equation.3  

Рис. 13

U0

Iк

Iк0

Uбэ

Uотс

0

Рис. 14

1

0

EMBED Equation.3  

0,5

0,1

0,2

0,3

0,4

20

40

60

80    100    120

140

160

180

k

2

3

Рис. 1

Lк

Ea

+

+

Eс1

VL

Rс2

Zн

Uвх

Cс2

Cк

Cбл2

Cбл1

а

k

Uma

UH

Umкк

1

1

t

Ea

Ia max

Umс

ia

ia

Eс1

Uвх

Uс1

Uа

t

t

Рис. 2

Uma

a max

Рис. 3

УЭ

КК

а)

б)

ИП

Lк

Ea

+

VL

Rс2

Zн

Uвх

Cс2

Cк1

Cбл2

Lдр2

Cк2

1

1

Cр2

+

Eс1

Cбл1

ПНО

Рис. 4

Ua

Ea

t

ia

ia

C

B

A

Uma

EMBED Equation.3  

2

2

1

1

г)

в)

б)

а)

1

t

Uс=Ес1

Uс

ЛГР

uamin

uamах



D

3

3

2

Uc

Umс

3600

900

2

1

t

3

Uс

1800

3

C'

Ua

Ia max

ННО

ia

C

ua

B

A

Uс

ЛГР

D

Uс

Uс

О

Рис. 5

Рис. 6

ЛГР

t

0

Ia

ia

C

Ua

Uс=Eс

Uс max

B

A

0

Eа

A

Ia

wt

0

ia

ЛГР

C

Ua

Uс=Eс

Uс max

B

A

0

t

Eа

A

Ia

wt

0

ia

ЛГР

C

Ua

Uс=Eс

Uс max

B

A

0

t

Eа

а)

б)

в)

ПНР

ГР

ПНР

VL

Рис. 7

Rэ0

Rн

ia

uc

1

2

3

Rэо=0

Ia

Uа

Uс max

Ia

 t

0

Rэо

Рис. 8

1

2

3

Rэо=

Pа

Рис. 9

P0

Im1

Iao

Um

0

Rэо

Rэгр

ННР

Rэгр

Rэо

0

ПНР

0

=0

Iao

Im1

Um

а)

б)

0

=0

P0

Pа

P~

P~

Рис. 10

Rэгр

0

Rэo

ННР

б)

Rэ

0

Rэо=0

Ia

Uа

Uс max

Rэо

а)

1

Рис. 12

Uvc

Ua

t

ia

ia

Uc

Ia max

Umс

Uma

900

t

t

Uс

Uс

ЛГР

Ua

EMBED Equation.3  

0

0

0

Uс=Ес

EMBED Equation.3  

U vc

Uс

Еа

EMBED Equation.3  

1

1

2

2

2

3

3

3

Рис. 11

ia

t

ЛГР

Ua

Uс=Eс

EMBED Equation.3  

0

Ia

0

t

Ua

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

Uma

Eа

ННР

ПНР

Ua

EMBED Equation.3  

t

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

Ia

Uа

t

Eс

Uс max

Uс max

Uс max

Ia

0

Eс

0

Рис. 13

Eс

Eс1>Eс1>Eс1

Uс

t

t

t

1

2

3

3

2

1

1

2

3

А1

А2

А3

В1

В2

В3

Рис. 14

Ia

Uа

0

 t

Ea3  < Ea2  < Ea1

0

Ia

Umc max

Ф1

S1

S2

Ф2

Фn

УЭ

ИП

Н

Рис. 1

0

fФ3

fФ2

а

f

fФ1

Рис. 2

а

f1

f2

2я ступень сложения

1я ступень сложения

3я ступень усиления

2я ступень деления

2я ступень усиления

1я ступень деления

1я ступень усиления

Рис. 4

Uвх

+Еk

Рис. 5

a

в

Lдр

Cp

ТV1

Rн

Cp

Cбл

Cбл

Cp

Cp

C1

C1

R1

R1

R2

R2

ТV4

ТV2

Rб

Lдр

Еб

ТV3

RГ

Lдр

Lдр

б

г

д

VТ1

VТ2

Uвх

Cбл

М

1

1

4

4

3

3

2

2

2R

R

R

R/2

a)

М

1

1

4

4

3

3

2

2

Uвх

Rвх1

Rб

б)

TV

TV

Rвх2

М

1

1

4

4

3

3

2

2

RН

EMBED Equation.3  

Рис. 6

RГ

в)

TV

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

Рис. 7

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

Rн

R1

Rб

Rн

Rб

I1

I2

I2

I1

I2

R2

U2

U1

I1

Рис. 8

0,5

0,5

1

1

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

600

300

900

Рис. 9

R4

4

Rб

2

T2

T1

R2

R1

T4

T3

U1

U2

Рис. 10


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

6840. Служба каталогов Active Directory и использование групповых политик 239 KB
  Служба каталогов ActiveDirectory и использование групповых политик СЛУЖБА КАТАЛОГОВ Общие сведения о службе каталогов На заре компьютеризации все управление пользователями сводилось к администрированию одного единственного сервера. Со...
6841. Конфігурація RIP і її перевірка 148.5 KB
  Конфігурація RIP і її перевірка Завдання Реалізувати маршрутизацію RIP і переконатися, що виконується динамічна заміна мережевих маршрутів. Позначення маршрутизатора Назва маршрутів-тізатора Адреса інтерфейсу Fast Ethernet 0 Адреса послідовног...
6842. Налаштування стандартних ACL 486.5 KB
  Налаштування стандартних ACL. Мета навчання Після завершення цієї лабораторної роботи ви зможете: Розробляти стандарти імен і розширені списки управління доступом ACLs. Застосовувати стандарти імен і розширені списки управління доступом...
6843. Усунення несправностей корпоративних мереж 386 KB
  Усунення несправностей корпоративних мереж Мета навчання Після завершення цієї лабораторної роботи ви зможете: З'єднайти мережу відповідно до топологічної діаграми Стертипоточну конфігурацію і перезавантажит...
6844. Основы настройки сетевых устройств CISCO 145.5 KB
  Основы настройки сетевых устройств CISCO Цель работы: познакомиться с устройством маршрутизаторов, основами операционной системы IOS, протоколами маршрутизации и списками контроля доступа. План работы: Настройте адреса всех сетевых интерфейсов...
6845. Налаштування IPSec VPN засобами IOS 416 KB
  Налаштування IPSecVPN засобами IOS Завдання роботи: Налаштування EIGRP на маршрутизаторах Створення IPSecVPN між двома маршрутизаторами Перевірка функціонування IPSec Топологія Сценарій У даній роботі ви налаштуєте VPN ...
6846. Захист GRE-тунеля 365 KB
  Захист GRE-тунеля Завдання роботи: Створення GRE тунеля між двома маршрутизаторами Використання IPSec для захисту тунеля Топологія Сценарій У даній роботі ви налаштуєте GRE - тунель (GenericRoutingEncapsulation), захище...
6847. Налаштування контекстного контролю доступу 173 KB
  Налаштування контекстного контролю доступу Завдання роботи: Навчитися налаштовувати правила контекстного контролю доступу на маршрутизаторах Топологія Сценарій Контекстний контроль доступу (CBAC - Context Based Access Control) є...
6848. Програмування зовнішніх пристроїв 60.01 KB
  Програмування зовнішніх пристроїв Мета роботи: Навчитись розробляти програми виводу/вводу інформації через інтерфейс USB, а також використовувати функції третіх фірм. Хід виконання роботи Вивчити будову інтерфейса USB (наприклад, М.Гук Интерфейс...