Романюк_Приемопередающие_устройства

8. Усилители мощности

Усилители мощности на БТ работают приблизительно до 1 ГГц. Ядром усилителя яв-

ляется БТ, преобразующий энергию постоянного электрического поля источника питания в энергию электромагнитных колебаний. Для того чтобы выполнить усилитель мощности на БТ (обычно используется включение транзистора по схеме ОЭ), нужно:

1)подвести к коллекторному переходу запирающее напряжение;

2)подать на эмиттерный переход напряжение, дающее возможность его открывания;

3)подключить к коллектору транзистора резонатор, настроенный на частоту входных усиливаемых колебаний;

4)обеспечить максимум мощности, передаваемой от источника входных колебаний к транзистору;

5)создать оптимальную величину резонансного сопротивления коллекторного конту-

ра, при которой транзистор отдает максимальную мощность в нагрузку.

Таким образом, в состав усилителя мощности входят следующие элементы:

транзистор;

входная согласующая цепь, обеспечивающая наиболее полную передачу энергии от источника входных колебаний к транзистору;

коллекторный резонатор с элементами, изменяющими его резонансное сопротивле-

ние;

источник питания;

цепь смещения, создающая постоянное напряжение на эмиттерном переходе;

элементы разделения цепей постоянного и переменного токов.

Структурная схема усилителя мощности изображена на рис.8.1,

41

где Ср, Сбл и Lбл - разделительные и блокировочные конденсаторы и индуктивности,

разделяющие цепи постоянного и переменного токов.

8.1.Режимы работы биполярного транзистора

вусилителях мощности

Если усилитель предназначен для увеличения мощности гармонических колебаний,

созданных генератором несущей частоты, то напряжение на входе транзистора (между ба-

зой и эмиттером)

либо периодическим и негармоническим:

iк t Iк0 Iк1сos t Iк2сos2 t ...

(предполагаем, что ток симметричен относительно t = 0) в зависимости от режима работы.

Проходя через коллекторный контур, ток создает на нем переменное напряжение: uкон t Uк1сos t Uк2сos2 t ...,

где амплитуды напряжения

Uкон t Iкn Zк п , n = 0, 1, 2,…;

Zк п - импеданс контура на частоте пω.

Поскольку модуль Zк максимален на частоте ω и мал на ее гармониках:

42

uкон t Uк1сos t ,

где

Rк1 - резонансное сопротивление контура на входной частоте ω.

Переменное напряжение прикладывается к коллектору транзистора противо-

положной полярностью и суммируется с постоянным напряжением источника питания Еп.

В результате коллекторное напряжение

Режимы работы транзистора определяются временными зависимостями (8.1) - (8.4) и

отличаются величинами Eсм , Еп, Uк1 , Iкn . Следует отметить, что в современных радиопе-

редатчиках иногда применяют более сложные режимы работы транзистора, в которых на-

пряжения uб t и uк t отличаются от описываемых формулами (8.1) и (8.4).

Линейный режим работы транзистора. Простейшим режимом работы транзистора является линейный, в котором uб t , iк t и uк t определяются соотношениями (8.1), (8.2)

и (8.4). Название обусловлено тем, что рабочая точка, представляющая мгновенный кол-

лекторный ток iк и мгновенное напряжение на базе Uб в течение всего периода колеба-

ний, находится на линейном участке переходной характеристики транзистора. Временные зависимости электрических величин показаны на рис.8.2.

Рис.8.2. Зависимости электрических величин от времени в линейном режиме работы

43

Энергетические возможности режима можно оценить, получив выражение для мощ-

ности, рассеиваемой на коллекторе транзистора. Средняя за период колебаний рассеивае-

мая мощность

Итак, максимальная мощность колебаний не превышает значения, определяемого вы-

ражением (8.8), а наибольший теоретический КПД составляет 50%.

Достоинством линейного режима является отсутствие на выходе усилителя колебаний тех частот, которых не было на входе, что особенно важно при усилении колебаний, мо-

делированных по амплитуде. Недостаток состоит в низком КПД.

44

Режим работы транзистора с отсечкой коллекторного тока.

С целью увеличения КПД преобразования предложены режимы работы транзисторов, в

которых в заданных диапазонах изменений iк t и uк t формы колебаний отличаются от гармонических. Наиболее просто осуществляются режимы работы с отсечкой коллектор-

ного тока и по-прежнему гармоническим коллекторным напряжением.

Режимы с отсечкой коллекторного тока обеспечиваются соответствующим выбором напряжения смещения на базе транзистора, а гармоническое коллекторное напряжение -

включением резонатора достаточно высокой добротности в коллекторную цепь. На рис.8.3 представлена аппроксимированная переходная ВАХ транзистора и зависимости

iк t , iб t и uб t .

Рис.8.3. Входная и переходная ВАХ транзистора, а также зависимости от времени напряжения на базе, токов коллектора и тока базы в режиме работы транзистора

сотсечкой коллекторного тока

Врассматриваемых режимах работы коллекторный ток имеет вид импульсов, пред-

ставляющих собой отрезки косинусоиды. Импульсы тока существуют в моменты времени,

когда uб Uотс . Поскольку iк t является периодической функцией времени периода T 2 ,

где - частота входных колебаний, то Iк1 и Iк0 могут быть найдены по формулам для ко-

эффициентов ряда Фурье, справедливого для iк t .

Косинусоидальные импульсы тока могут быть описаны двумя параметрами - макси-

мальным током iк max и углом отсечки , где - промежуток переменной t, на протяже-

45

нии которого импульсы уменьшаются от iк max до 0. Результаты анализа дают следующие соотношения для токов [1]:

где 0 и 1 - зависящие от угла отсечки -коэффициенты, определяемые формулами:

Иногда целесообразно воспользоваться несколько измененными формулами:

Энергетические возможности режимов работы транзистора с отсечкой коллек-

торного тока. Оценим максимальные величины выходной мощности и КПД, которые мо-

гут быть получены в режимах с отсечкой коллекторного тока. С этой целью будем счи-

тать, что транзистор полностью используется по току и iк max ≈ iк доп . Тогда

что несколько выше, чем в линейном режиме работы.

Для расчета максимального КПД воспользуемся соотношением (8.9). Подставим туда

Воспользовавшись формулами (8.13) и (8.14), увидим, что коэффициент g1 стремится к

2 при стремлении к 0. Таким образом, теоретически максимальный КПД стремится к

Коэффициент усиления мощности. Третьим важным энергетическим параметром

Амплитуда первой гармоники коллекторного тока определяется выражением (8.11).

На низких частотах входное сопротивление транзистора

При кусочно-линейной аппроксимации входной характеристики транзистора iб(uб)

импульсы базового тока имеют такой же угол отсечки, как и импульсы iк (см. рис.8.3), и

Классификация режимов работы транзистора с отсечкой коллекторного тока и

гармоническим коллекторным напряжением. В литературе принято режимы работы с

отсечкой коллекторного тока обозначать буквами, как это показано в табл.8.1.

Таблица 8.1

Режимы работы транзисторов с отсечкой выходного тока

8.2. Оптимальное сопротивление нагрузки транзистора

Основные энергетические параметры транзистора K P , Р1 и η растут с ростом ре-

зонансного сопротивления коллекторного контура Rк. Это видно из (8.19), а также из

(8.7) и (8.9), если подставить туда (8.3). Возникает вопрос: что ограничивает увеличение

Rк? Безусловно, основное ограничение состоит в том, чтобы мгновенное значение на-

получим разные Rк, соответствующие разным критериям оптимальности.

Более точный анализ показывает, что максимальная амплитуда коллекторного напря-

жения Uк1 max должна быть несколько меньше Еп . Соответственно, снижается и оптимальное сопротивление нагрузки усилителя. Зависит это уменьшение от напряженности режима ра-

боты транзистора.

Напряженность режима работы транзистора. При подаче на вход транзистора пе-

ременного напряжения рабочая точка, т.е. пара значений iк и ик , вычерчивает в координа-

тах iк (ик ) траекторию, называемую динамической выходной ВАХ транзистора. Если тран-

зистор работает в активном режиме (эмиттерный переход открыт, коллекторный - закрыт),

то эта траектория является прямой линией с отрицательным наклоном. При переходе

48

транзистора в режим насыщения (оба перехода открыты) динамическая ВАХ совпадает с линией критического режима (рис.8.4).

Пользуясь динамической ВАХ, можно по известному коллекторному напряжению uк Еп Uк1 cos t построить форму коллекторного тока iк t .

Как видно из рис.8.4, в случае превышения амплитуды U к1 некоторого граничного уровня в импульсах коллекторного тока появляется провал, что снижает амплитуду пер-

вой гармоники Iк1 и, следовательно, выходную мощность. Если мгновенное напряжение uк не достигает точки перегиба выходной динамической характеристики, то iк и ик нахо-

дятся в недонапряженной области транзистора. В этом случае говорят, что транзистор ра-

ботает в недонапряженном режиме. Когда часть периода колебаний ик опускается ниже точки перегиба, то режим работы транзистора называется перенапряженным.

Ясно, что наиболее выгодным является промежуточный, граничный, режим, при ра-

боте транзистора в котором ик в некоторый момент времени достигает точки перегиба.

Рис.8.4. Динамическая выходная ВАХ транзистора и зависимости от времени коллекторного тока и напряжения

49

то

женностью режима работы транзистора.

Рассчитав по (8.22) напряженность граничного режима работы, найдем максимальную амплитуду коллекторного напряжения U к1 и сопротивление коллекторного контура Rк гр,

соответствующее граничному режиму работы.

8.3.Согласование сопротивлений

вусилителях мощности

Вусилителях мощности между источником входных колебаний, транзистором и на-

грузкой включают цепи согласования, предназначенные для преобразования сопротивле-

ний.

Входная согласующая цепь. В стационарном режиме работы у транзистора имеется входное сопротивление

Zвх Uб1 .

Iб1

Если непосредственно подвести к транзистору колебания от источника, то, как правило,

значительная часть входной мощности будет отражена обратно. Как известно, источник ко-

лебаний передает максимальную мощность в нагрузку при условии

Rн Rист ,

где Rн - сопротивление нагрузки; Rист - внутреннее сопротивление источника.

Следует отметить, что современные радиоустройства выполняются в виде микросхем,

рассчитанных на использование источников колебаний с внутренним сопротивлением

Rист = 50 Ом и таким же сопротивлением нагрузки.

Для того чтобы преобразовать Zвх в значение, равное Rист , служит входная согла-

сующая цепь. Кроме того, входная цепь должна быть построена таким образом, чтобы обеспечить на входе транзистора либо гармоническое напряжение на базе (если транзи-

стор маломощный), либо гармонический входной ток (если транзистор мощный).

Выходная согласующая цепь. Нагрузкой транзистора является коллекторный коле-

бательный контур, резонансное сопротивление которого должно быть равно рассчитанно-

му значению Rк.гр , позволяющему установить граничный режим работы транзистора. В то

50