6.1. Сравнение каскадов с фиксированной рабочей точкой и с автоматической регулировкой потребляемого тока

На рис. 6.1 приведена функциональная схема усилителя с автоматической регулировкой потребляемого тока [49], а на рис. 6.2 — принципиальная схема одного из вариантов ее реализации.

Усилитель (см. рис. 6.2) имеет следующие линейные характеристики: коэффициент усиления 13,5 дБ; полоса пропускания

1.. .600 МГц; неравномерность амплитудно-частотной характеристики ±0,5 дБ; сопротивление генератора и нагрузки 50 Ом.

На рис. 6.3 приведены эпюры изменений напряжений и токов транзистора в каскаде с автоматической регулировкой потребляемого тока, поясняющие принцип его работы, где Днпер — нагрузочная прямая по переменному току; иоСт — остаточное напряжение.

Функциональная схема усилителя с автоматической регулировкой потребляемого тока

Рис. 6.1. Функциональная схема усилителя с автоматической регулировкой потребляемого тока

Принцип работы схемы заключается в следующем [49]. Постоянное напряжение, пропорциональное уровню выходного сигнала, с выхода устройства выделения огибающей подается на блок управления, который изменяет ток, потребляемый усилительными каскадами усилителя. Фильтр верхних частот необходим для исключения возможности попадания сигнала с частотой управления в нагрузку.

При работе усилительного каскада в режиме с фиксированной рабочей точкой для получения в нагрузке максимальной выходной мощности ток коллектора /ко и напряжение коллектор-эмиттер [/кэо в точке покоя могут быть найдены из соотношений [48]:

Принципиальная схема каскада с автоматической регулировкой потребляемого тока

Рис. 6.2. Принципиальная схема каскада с автоматической регулировкой потребляемого тока

Эпюры изменений напряжений и токов транзистора в каскаде с автоматической регулировкой потребляемого тока

Рис. 6.3. Эпюры изменений напряжений и токов транзистора в каскаде с автоматической регулировкой потребляемого тока

где Рк.д — максимально допустимая мощность, рассеиваемая на коллекторе.

В каскаде с автоматической регулировки потребляемого тока максимальное IKотах и минимальное /к<) Шт значения потребляемого тока и напряжение коллектор-эмиттер UKM1 рассчитываются по соотношениям [49]:

Из (6.1) и (6.2) найдем, что максимальные значения выходной мощности каскада с фиксированной рабочей точкой Рвыхфрт и каскада с автоматической регулировки потребляемого тока РВЫхАРТ равны:

В этом случае выигрыш в максимальной величине выходной мощности каскада с автоматической регулировки потребляемого тока, по сравнению с каскадом с фиксированной рабочей точкой, определяется выражением

Таким образом, максимальный выигрыш по уровню выходной мощности усилительного каскада с автоматической регулировки потребляемого тока по сравнению с каскадом с фиксированной рабочей точкой составляет 2 раза.

В [54] показано, что максимальное значение круговой частоты модулирующего колебания ?2т, при котором система автоматической регулировки потребляемого тока осуществляет изменение потребляемого тока по закону огибающей, рассчитывается по формуле

где т — глубина модуляции; wa = 2тг/„ — нижняя круговая частота ПОЛОСЫ Пропускания уСИЛИТеЛЯ; АР =вых тахиых тт)/Рвыхmax — допустимые относительные потери выходной мощности, обусловленные уменьшением проводимости передачи системы регулирования при уменьшении частоты несущего колебания вследствие сопоставимости постоянной времени нагрузки детектора системы регулирования и периода времени ВЧ колебания [55, 56]; Р,1ЫХ шах — максимальное значение выходной мощности; РВыхтт выходная мощность на частоте о>„.

Поэтому при усилении сигналов с частотой модуляции менее С1„, параметры (/кэо и IKOmax рассчитываются по (6.2). При необходимости усиления сигналов с частотой модуляции более С1т расчет [/Кэо и /котах следует производить по соотношениям [54]:

Требуемая постоянная времени нагрузки детектора системы регулирования с учетом формулы (6.4) [54, 56]

где Снд, ЛНд — емкость и сопротивление нагрузки детектора системы регулирования.

ДЛЯ Примера рассчитаем f/K30, /КО) До maxi ^ НД! Дцд> Дых.ФРТ|

•Рвых.арт, П,„ каскада, принципиальная схема которого приведена на рис. 6.2, при его работе в режиме с фиксированной рабочей точкой и в режиме с использованием автоматической регулировки потребляемого тока. При расчетах будем полагать, что максимальная глубина модуляции при высоких частотах модуляции равна 0,7 [57], коэффициенты Т и ? транзистора КТ939А [10] равны 0,95 и 0,9 соответственно, Рк.д = 3 Вт, /„ = 1 МГц; допустимое значение АР — 0,02; Л„ = 50 Ом.

В случае работы каскада в режиме с фиксированной рабочей точкой из (6.1) и (6.3) получим: икэо 12.6 В; /ко = 0,238 А; •РвыхФРТ = 1,28 Вт. При работе каскада с использованием автоматической регулировки потребляемого тока из (6.2) и (6.3) определим: икэо = 16,45 В; /котах = 0,316 А; ЛвыхАРТ = 2,4 Вт. Используя (6.4), рассчитаем П,„ = 23,2 кГц, а из (4.8) найдем т„д = 43 • 10“° с. Сопротивление нагрузки детектора системы регулирования, как следует из схемы, приведенной на рис. 6.2, Лнд = R7 + Л2 Л-,/( Л2 + Л5) = = 1500 Ом. Теперь из равенства т„д = СНДЯНЛ определим Снд = = гндш;пНд = 28,7 нФ. Проводимость передачи системы регулирования устанавливается выбором номинала резистора Лд. Стабилитрон КС133А, включенный в цепи базы транзистора КТ814А, необходим для ограничения сигнала управления значением, соответствующим заданному максимальному току потребления /кошах-

На рис. 6.4 и 6.5 приведены принципиальные схемы экспериментальных макетов широкополосных усилительных каскадов на транзисторах КТ939А и КТ913Б, для которых проводились измерения уровня сжатия коэффициента усиления [58, 59] и нелинейных со-

Принципиальная схема каскада на транзисторе КТ939А

Рис. 6.4. Принципиальная схема каскада на транзисторе КТ939А

Принципиальная схема каскада на транзисторе КТ913Б

Рис. 6.5. Принципиальная схема каскада на транзисторе КТ913Б

ставляющих второго и третьего порядка в спектре выходного сигнала при их работе в режиме с фиксированной рабочей точкой и с автоматической регулировкой потребляемого тока.

Каскады имели следующие линейные характеристики: коэффициент усиления каскада на транзисторе КТ939А 10 дБ; коэффициент усиления каскада на транзисторе КТ913Б 7 дБ; полоса пропускания 20...230 МГц; неравномерность амплитудно-частотной характеристики ±0,5 дБ; сопротивление генератора и нагрузки 75 Ом.

В каскаде на транзисторе КТ939А (см. рис. 6.4) допустимая мощность, рассеиваемая на транзисторе, выбрана равной 3 Вт. При работе каскада с фиксированной рабочей точкой UKM} и /ко составляли 13,6 В и 0,22 А. При работе каскада с автоматической регулировкой потребляемого тока UKM, Aomin и Aomax, в соответствии с (6.2), были выбраны равными 19 В, 0,1 А и 0,31 А. Исследования проводились в тракте с волновым сопротивлением 75 Ом, поэтому в схеме применена система регулирования с использованием датчика выходного напряжения на диоде VD1. При работе каскада с фиксированной рабочей точкой датчик выходного напряжения отключается с помощью ключа S1. Результаты исследований для частот входных сигналов 30, 110 и 220 МГц приведены на рис. 6.6.

Интермодуляционные искажения третьего порядка измерялись при условии равенства амплитуд двухчастотного воздействия и разносе частот 5 МГц. По оси абсцисс на рис. 6.6 отложена входная мощность, выраженная в децибелах относительно ватта, по оси ординат отложена выходная мощность, также выраженная в децибелах относительно ватта [60], и приняты следующие обозначения:

Использование автоматической регулировки тока

Рис. 6.6. Зависимости мощностей первой и второй гармоник и интермодуляционной составляющей третьего порядка выходного сигнала каскада на транзисторе КТ939А от мощности входного сигнала на частоте: а — 30 МГц; б — ПО МГц;» — 220 М Гц

Рф, 1 а — мощность первой гармоники; Р-м,, Р^а — мощность второй гармоники; Р^ф, Р^а — мощность интермодуляционной составляющей третьего порядка. Символы Ф и А в обозначениях относятся к случаю работы каскада с фиксированной рабочей точкой и с автоматической регулировкой потребляемого тока соответственно. На выходе каскада установлена выходная корректирующая цепь в виде фильтра нижних частот, образуемая элементами L3, С9 и выходной емкостью транзистора КТ939А [9]. Поэтому при частоте входного сигнала 220 МГц высшие гармоники отфильтровываются и не поступают на выход усилителя, что нашло отражение на рис. 6.6,в.

В каскаде на транзисторе КТ913Б (см. рис. 6.5) допустимая мощность, рассеиваемая на транзисторе, выбрана равной 5 Вт. При работе каскада с фиксированной рабочей точкой UKM} и /ко составляли 18,5 В и 0,274 А. При работе каскада с автоматической регулировкой потребляемого тока UKrK), /коmax и /котах были выбраны равными 26 В, 0,14 А и 0,385 А. Результаты исследований для частот входных сигналов 30, 110 и 220 МГц приведены на рис. 6.7.

По амплитудным характеристикам, приведенным на рис. 6.7, сложно определить уровень выходной мощности каскадов, соответствующий заданному уровню сжатия их коэффициентов усиления. Поэтому на рис. 6.8 приведены зависимости коэффициентов усиления каскадов на транзисторах КТ939А и КТ913Б с фиксированной рабочей точкой (непрерывные кривые) и с автоматической регулировкой потребляемого тока (пунктирные кривые) от уровня их выходной мощности и частоты усиливаемых сигналов.

Анализ зависимостей, приведенных на рис. 6.6-6.8, позволяет сделать следующие выводы. При равных выходных мощностях каскадов с фиксированной рабочей точкой и с автоматической регулировкой потребляемого тока, соответствующих сжатию коэффициентов усиления каскадов с фиксированной рабочей точкой на 1 дБ, уровень второй гармоники и интермодуляционные искажения третьего порядка в каскадах с автоматической регулировкой потребляемого тока на 3...10 дБ меньше чем в каскадах с фиксированной рабочей точкой.

При выходных мощностях каскадов с фиксированной рабочей точкой и с автоматической регулировкой потребляемого тока, соответствующих сжатию их коэффициентов усиления каскадов на 1 дБ, уровень второй гармоники и интермодуляционные искажения третьего порядка в каскадах примерно равны. Таким образом, использование автоматической регулировкой потребляемого тока дает возможность практически в два раза увеличить выходную мощность

Зависимости мощностей первой и второй гармоник и интермодуляционной составляющей третьего порядка выходного сигнала каскада на транзисторе КТ913Б от мощности входного сигнала на частоте

Рис. 6.7. Зависимости мощностей первой и второй гармоник и интермодуляционной составляющей третьего порядка выходного сигнала каскада на транзисторе КТ913Б от мощности входного сигнала на частоте: а — 30 МГц; б — 110 МГц; в — 220 МГц

Использование автоматической регулировки тока

о

о

Зависимости коэффициента усиления каскадов от уровня выходной мощности и частоты усиливаемого сигнала

Рис. 6.8. Зависимости коэффициента усиления каскадов от уровня выходной мощности и частоты усиливаемого сигнала: а — на транзисторе КТ939А б — на транзисторе КТ913Б

каскада работающего на согласованную нагрузку при неизменном уровне нелинейных составляющих второго и третьего порядка в спектре выходного сигнала.

При малых уровнях входных воздействий каскады с фиксированной рабочей точкой имеют равные или меньшие уровни нелинейных составляющих второго и третьего порядка в спектре выходного сигнала, чем каскады с автоматической регулировкой потребляемого тока. Однако принципы построения высоколинейных усилителей отличаются от принципов построения усилителей мощности [61]. Они основаны не на требовании получения максимального значения выходной мощности при максимальном коэффициенте полезного действия и заданном допустимом уровне нелинейных составляющих в спектре выходного сигнала, а на требовании минимизации этих составляющих при малых уровнях входных воздействий. Поэтому вопрос о возможности использования автоматической регулировкой потребляемого тока для минимизации нелинейных составляющих в спектре выходного сигнала каскада работающего в режиме класса А при малых уровнях входных сигналов требует отдельного исследования.

Таким образом, использование автоматической регулировкой потребляемого тока позволяет сохранить неизменным уровень нелинейных составляющих второго и третьего порядка в спектре выходного сигнала при одновременном двукратном увеличении выходной мощности каскада, работающего в режиме класса А.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >