Реализация оптимального сопротивления нагрузки

Минимизация потерь выходной мощности маломощных широкополосных усилителей

Выходные каскады усилителей мощности маломощных широкополосных передатчиков [84] работают, как правило, непосредственно на антенно-фидерный тракт. В этом случае модуль коэффициента отражения ощущаемого сопротивления нагрузки внутреннего генератора транзистора [9]

где oj — текущая круговая частота; Д„ — сопротивление антеннофидерного тракта; С_вых — выходная емкость транзистора, численно равная емкости коллекторного перехода С_к [85].

В этом случае относительные потери выходной мощности, обусловленные наличием С'_ш,,_х, составляют [9]

где Двыхтах(^) — максимальное значение выходной мощности на частоте ш при условии равенства нулю Свых! ^вых(^) ^— максимальное значение выходной мощности на частоте ш при наличии (Дых-

Для минимизации потерь выходной мощности необходима реализация постоянного, в заданной полосе рабочих частот, ощущаемого сопротивления нагрузки внутреннего генератора транзистора выходного каскада [9]. Это достигается включением выходной емкости транзистора выходного каскада в фильтр нижних частот, играющий роль выходной согласующей цепи (рис. 8.1), где LI, С1 — элементы фильтра нижних частот, Z_oul — ощущаемое сопротивление нагрузки внутреннего генератора транзистора выходного каскада.

В [9] описана методика Фано, позволяющая при заданных Св_ЫХ и верхней граничной частоте /_в полосы пропускания разрабатывавТаблица 8.1

Нормированные значения элементов цепи

Рис. 8.1. Включение выходной емкости транзистора в фильтр нижних частот

мого усилителя рассчитать такие значения элементов выходной согласующей цепи L1 и С1, которые обеспечивают минимально возможную величину максимального значения модуля коэффициента отражения 15_ое | max в полосе частот от нуля до верхней граничной частоты. В табл. 8.1 приведены взятые из [9] нормированные значения элементов С_1!ЫХ, LI, С1, а также коэффициент и, определяющий ощущаемое сопротивление нагрузки Л_01Ц, относительно которого вычисляется |5₀е|тах-

Истинные значения элементов рассчитываются по формулам:

где lj_b — 2~/_B — верхняя круговая частота полосы пропускания усилителя.

В качестве примера рассчитаем выходную согласующую цепь для усилительного каскада на транзисторе КТ610А (С_1!ЫХ — 4 пФ [10]) при условиях: R_H — 50 Ом, /_в = 600 МГц и определим Л_ощ и уменьшение выходной мощности на частоте /_в при использовании цепи и без нее.

Рис. 8.2. Принципиальная схема

Вначале найдем С_ных „ = С_выхП._ни}_а = 0,7536. В табл. 8.1 ближайшее значение С_вых „ равно 0,753. Этому значению соответствуют CiH = 1; L_H = 0,966; |5_oe|max = 0,111; и = 1,153. После денормирования по формулам (8.3) получим: L — 12,8 нГн; С — 5,3 пФ; Яш„ = 43,4 Ом. Используя соотношения (8.1), (8.2), найдем, что при отсутствии выходной согласующей цепи коэффициент уменьшения выходной мощности на частоте /_в, обусловленное наличием С_вых, составляет 1,57, а при ее использовании — 1,025.

На рис. 8.2 приведена принципиальная схема широкополосного усилителя, в котором использована рассматриваемая выходная согласующая цепь [86].

Усилитель содержит пять каскадов усиления на транзисторах VT2, VT4, VT6, VT8, VT10, прост в изготовлении и настройке, имеет большой коэффициент усиления, ручную регулировку усиления и индикатор уровня выходной мощности.

Все каскады усилителя работают в режиме класса А с фиксированной рабочей точкой и токами покоя транзисторов VT2, VT4, VT6, VT8, VT10 равными 0,08; 0,12; 0,3; 0,4 и 0,4 А соответственно. Стабилизация токов покоя каскадов достигается благодаря применению схемы активной коллекторной термостабилизации (см. раздел 1.1). Сами токи покоя при этом устанавливаются подбором номи-

налов резисторов R6, Rll, R16, R21, R26. Уменьшение указанных резисторов приводит к уменьшению токов покоя и наоборот.

Во всех каскадах усилителя, кроме выходного, использованы реактивные межкаскадные корректирующие цепи третьего порядка [4], где в качестве одного из элементов корректирующей цепи используется реактивная составляющая входного импеданса транзистора [10].

Выходной каскад выполнен по схеме со сложением напряжений и обеспечивает сложение в нагрузке сигнальных напряжений, отдаваемых транзисторами VT8 и VT10 (см. раздел 2.3). При сборке усилителя следует минимизировать длину цепи, связывающей коллектор транзистора VT8 с эмиттером транзистора VT10. Это обусловлено тем, что наличие индуктивной составляющей указанной цепи приводит к неполному сложению сигнальных напряжений, отдаваемых транзисторами.

Печатная плата (рис. 8.3) размером 180x80 мм изготавливается из фольгированного с двух сторон стеклотекстолита толщиной

2...2,5 мм.

На рис. 8.4 приведено расположение элементов на печатной плате усилителя. Пунктирными линиями на рис. 8.4 обозначены места металлизации торцов. Металлизация необходима для устранения

Рис. 8.3. Печатная плата широкополосного усилителя

паразитных резонансов и заземления нужных участков печатной платы.

Корпус усилителя выполнен из дюралюминия и при длительной его эксплуатации устанавливается на небольшой радиатор.

Все транзисторы усилителя крепятся к основанию с использованием теплопроводящей пасты. Для улучшения теплового контакта транзисторов VT2 и VT4 с основанием усилителя, они прижаты к основанию стеклотекстолитовой пластиной (рис. 8.5).

В усилителе использованы безиндуктивные конденсаторы типа К10-42 в высокочастотном тракте и типа К10-17 и К50-29 в цепях фильтрации.

Настройка усилителя состоит из следующих этапов. Вначале с помощью резисторов R6, Rll, R16, R21, R26 устанавливаются токи покоя транзисторов VT2, VT4, VT6, VT8, VT10. Для этого указанные резисторы поочередно заменяются потенциометрами, и по измерениям напряжений на резисторах R8, R13, R18, R22, R28 определяются требуемые токи покоя транзисторов VT2, VT4, VT6, VT8, VT10. Затем впаиваются все элементы высокочастотного тракта за исключением конденсаторов С12, С17 и С22. Следует иметь в виду, что на рис. 8.2 элементы СЗ, С8 и С27 не указаны. Роль СЗ, С8 и С27 выполняют металлизированные площадки, к которым припаиваются базы транзисторов VT2, VT4, и полосок печатной платы, идущий к выходу усилителя.

При включении усилителя без конденсаторов С12, С17 и С22 его амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) в режиме малого сигнала будет равномерна до частот 400...500 МГц с дальнейшим медленным спадом, составляющим на частоте 800 МГц около 4...7 дБ.

Рис. 8.4. Расположение элементов на печатной плате усилителя

Реализация оптимального сопротивления нагрузки

о

Рис. 8.5. Фотография широкополосного усилителя без крышки

Подключением конденсаторов С12, С17 следует выровнять АЧХ в области частот 500...800 МГц.

Теперь, переходя от режима малого сигнала к режиму ограничения выходных каскадов, следует с помощью варьирования емкости конденсатора С22 добиться максимизации выходной мощности усилителя в рабочем диапазоне частот.

Выходная ёмкость транзистора VT10 оказывается включенной параллельно нагрузке, что приводит к уменьшению максимального значения выходной мощности усилителя с ростом частоты. Для устранения указанного недостатка на выходе усилителя установлены элементы L8 и С27, образующие совместно с выходной ёмкостью транзистора VT10 фильтр нижних частот. Поэтому с помощью варьирования в небольших пределах индуктивности L8 следует добиться выравнивания максимальной выходной мощности усилителя в рабочем диапазоне частот.

И, наконец, варьируя токами покоя транзисторов усилителя, необходимо найти такие значения указанных токов, при которых усилитель отдает в нагрузку требуемую мощность при минимальной мощности, потребляемой от источника питания.

Ручная регулировка усиления реализована на потенциометре R1 и обеспечивает глубину регулирования 12 дБ в диапазоне 400... ...800 МГц с постепенным увеличением уровня регулирования до 30 дБ с понижением частоты регулируемого сигнала до 45 МГц.

Для индикации уровня выходной мощности усилителя на его выходе установлен направленный ответвитель (НО) падающей волны. Направленный ответвитель выполнен в виде отрезка стеклотек-

Рис. 8.6. Фотография широкополосного усилителя с крышкой

столита длинной около 4 см с односторонней металлизацией, помещенного над полоском длинной линии идущей к выходу усилителя. Совместно с детектором на диоде VD1 и стрелочным индикатором типа М4761-М1 направленный ответвитель позволяет в рабочем диапазоне частот с погрешностью 4...5 дБ контролировать уровень выходной мощности усилителя (рис. 8.6).

Технические характеристики усилителя:

максимальный уровень выходной мощности, Вт, не менее ... 2

рабочий диапазон частот, МГц ...............................45...800

коэффициент усиления, дБ ..................................35

неравномерность амплитудно-частотной характеристики, дБ 1

глубина регулировки усиления, дБ ...........................12

напряжение питания, В ......................................14...25

потребляемый ток, А .........................................1,4

сопротивление генератора и нагрузки, Ом ...................75

габаритные размеры корпуса усилителя, мм .................190x110x30