Основы радиоэлектроники и связи

9. Функциональные преобразования сигналов в нелинейных электронных цепях : 9.1. Воздействие гармонического и квазигармонического сигнала на НЭ с кусочно-линейной ВАХ

9.1.4 Усилитель мощности высокой частоты

Применяется для усиления радиосигналов в выходных каскадах передатчиков. Основные требования: заданная выходная полезная мощность и высокий КПД. В выходной цепи усилительного элемента должно стоять частотно-зависимое сопротивление (колебательный контур), позволяющее выделить на нем первую гармонику усиливаемого сигнала и подавить высшие гармонические составляющие, обусловленные нелинейным режимом работы активного элемента. Принципиальная схема простейшего усилительного каскада на транзисторе с общим эмиттером не отличается от схемы линейного резонансного каскада, рассмотренного ранее.  Выходная мощность усилителя, определяемая как

,

зависит от угла отсечки q , т.к. , где - амплитуда импульсов тока. Максимальное значение коэффициента имеет место при q = 120°. Однако КПД определяется отношением первой гармоники к постоянной составляющей выходного тока:

.

Так как величина (коэффициент использования напряжения источника питания) может достигать величины, близкой к 1, то можно считать

.

Учитывая формулы для и , имеем

.

На рис. 13 показаны графики и , из которых видно, что максимум и, следовательно, КПД имеют место при . Однако при этом .

Рис.13.

В режиме класса А (q = 180° ) , следовательно, максимально возможный электронный КПД при линейно-ломаной идеализации

,

а максимально возможная мощность при этом может достигать значения

,

где - напряжение источника питания, - максимально допустимое значение выходного тока.

Оптимальным с точки зрения достаточно высоких значений и выходной мощности и КПД, а также минимума искажений огибающей усиливаемого сигнала, является режим с углом отсечки q = 90° (режим класса В). В этом случае

, , .

На рис. 14 показан случай усиления АМ-сигнала с углом отсечки q = 90° . При этом напряжение на входных зажимах равно , U_m,вх(t) - огибающая входного сигнала.

Рис.14.

Из рис. 14 видно, что все высокочастотные периоды сложного АМ-колебания передаются с углом отсечки q = 90° . Следовательно, коэффициент с течением времени не меняется. Огибающая тока пропорциональна огибающей входного сигнала: , следовательно, первая гармоника тока в этом случае будет равна:

.

В общем случае произвольного угла отсечки при гармоническом входном сигнале и несущей частоте, равной резонансной частоте контура, имеем

,

следовательно,

,

где - резонансное сопротивление контура.

Отсюда получаем коэффициент передачи усилителя по напряжению

.

Величину называют средней крутизной или крутизной, приведенной к первой гармонике сигнала. Таким образом,

.

В режиме класса B (q = 90° ), , , следовательно . Таким образом, в этом случае коэффициент передачи по напряжению в два раза меньше коэффициента усиления линейного режима.

При усилении сигналов с угловой модуляцией угол отсечки будет постоянен независимо от выбранного смещения. Однако и здесь режим определяется выбором между максимумами выходной мощности и КПД.

Реальная проходная характеристика усилительного элемента отличается от кусочно-ломаной (особенно в области отсечки), поэтому при усилении АМ-колебаний могут иметь место нелинейные искажения огибающей при больших коэффициентах глубины модуляции. Для оценки диапазона изменения амплитуд входного сигнала используют амплитудную характеристику (АХ) усилителя: зависимость амплитуды выходного напряжения от амплитуды входного при заданном смещении.

Рис.15.

Примерный вид АХ для различных режимов работы активного элемента показан на рис. 15. Кривая "С" отражает общий случай. Отмеченные на ней минимальное и максимальное значения амплитуд входного сигнала определяют линейный участок АХ, где будут отсутствовать нелинейные искажения огибающей. Уровень несущей и максимально возможный коэффициент глубины модуляции определяются как

,

.

© Андреевская Т.М., РЭ, МГИЭМ, 2004