Реализация оптимального сопротивления нагрузки мощных широкополосных усилителей

При проектировании широкополосных (многооктавных) передатчиков средней и большой мощности одной из основных является задача максимального использования транзистора выходного каскада усилителя по выходной мощности, при его работе в режиме класса А. Оптимальное сопротивление нагрузки мощного транзистора, на которое он отдает максимальную мощность, составляет единицы ом [9] и определяется двумя факторами. Первый — наличие остаточного напряжения U_ocx (см. рис. 6.3), которое растет пропорционально росту тока коллектора в точке пересечения линии критического режима с нагрузочной прямой по переменному току [9]. Второй — зависимость допустимого постоянного тока коллектора от напряжения коллектор-эмиттер, которая приведена в справочной литературе для большинства транзисторов [10]. На рис. 8.7 представлена указанная зависимость для транзистора КТ970А.

Рис. 8.7. Зависимость допустимого постоянного тока коллектора от напряжения коллектор-эмиттер

Из анализа указанных факторов следует, что для получения максимальной выходной мощности напряжение коллектор-эмиттер транзистора необходимо выбирать максимально большим. С учетом рекомендаций из [2] напряжение в рабочей точке транзистора следует выбирать из условия (/_кэо = 0,85 {/_кэдо„, где [/_када„ — максимально допустимое значение напряжения 1/_кэ, определяемое графиком, приведенным на рис. 8.7. При выбранном значении Г/_кэо ток в рабочей точке выбирается из соотношения: 1_Ко = 0.85/_к„_шх., где 1_ктах — максимальное значение тока коллектора на графике (рис. 8.7), соответствующее выбранному значению С/_кэо- Например, при выборе для транзистора КТ970А {/_кэо = 24 В, /_ктах — 3,7 А ток в рабочей точке /_ко = 3,2 А. В этом случае оптимальное сопротивление нагрузки для транзистора КТ970А /?_нопх — U,«о/До — 24/3,2 = 75 Ом.

Для создания условий, при которых транзистор выходного каскада отдает максимальную мощность, между нагрузкой и выходным каскадом включается трансформатор сопротивлений, реализуемый, как правило, на ферритовых сердечниках и длинных линиях [2, 9]. Принципиальные схемы трансформаторов сопротивлений с коэффициентом трансформации 1:4 и 1:9 приведены на рис. 8.8,а и 6 соответственно, где окружностями обозначены ферритовые сердечники.

Рис. 8.8. Трансформаторы импедансов с коэффициентом трансформации сопротивления 1:4 и 1:9

Согласно [21, 87], при заданном значении нижней граничной частоты /„ полосы пропускания разрабатываемого усилителя требуемое число витков длинных линий, наматываемых на ферритовые сердечники трансформатора, определяется из соотношения

где R„ — сопротивление нагрузки, Ом; d — диаметр ферритового сердечника, см; N — количество длинных линий трансформатора; ц — относительная магнитная проницаемость материала сердечника; /„ — нижняя граничная частота, Гц; S — площадь поперечного

сечения сердечника, см².

Коэффициент перекрытия частотного диапазона трансформирующих и суммирующих устройств на ферритовых сердечниках и длинных линиях лежит в пределах (2...8) • 10⁴ [21, 87]. Поэтому, приняв коэффициент перекрытия равным 5 • 10⁴, верхняя граничная частота /_в полосы пропускания трансформатора может быть определена из соотношения

При расчетах трансформаторов импедансов по соотношениям (8.4) и (8.5) следует учитывать, что реализация /„ более 0,5...1 ГГц технически трудноосуществима из-за влияния паразитных параметров трансформаторов на его характеристики [2].

= RJN².

Требуемое волновое сопротивление длинных линий разрабатываемого трансформатора рассчитывается по формуле р_л — R_u/N. Методика изготовления длинных линий с заданным волновым сопротивлением описана в [4]. Входное сопротивление трансформатора, разработанного с использованием соотношений (8.4)-(8.5), Д_вх =

На рис. 8.9 приведена принципиальная схема широкополосного усилителя мощности, в котором использован трансформатор сопротивлений на длинных линиях с коэффициентом трансформации 1:4.

Усилитель содержит четыре каскада усиления на транзисторах VT4, VT7, VT9, VT12; трансформатор сопротивлений Тр1 с коэффициентом трансформации 1:4; широкополосный датчик падающей и отраженной волны на трансформаторах Тр2, ТрЗ и диодах VD7, VD8; схему управления током потребления выходного и предоконечного каскадов на транзисторах VT8, VT10, VT14 и резисторах R34, R35; управляемый стабилизатор напряжения на транзисторах VT1, VT2, и микросхеме DA1; схему защиты от рассогласования по

Рис. 8.9. Принципиальная схема

выходу, включающую в себя широкополосный датчик падающей и отраженной волны и управляемый стабилизатор напряжения; схему защиты от перегрузки по входу на диодах VD1, VD2; термозащиту на транзисторе VT6 и терморезисторе R18; блок управления вентилятором охлаждения на транзисторах VT11, VT13 и терморезисторе R27.

Первые два каскада усиления работают в режиме с фиксированной рабочей точкой, с токами покоя транзисторов VT4, VT7 равными 0,2 А и 0,5 А соответственно. Стабилизация токов покоя каскадов достигается благодаря использованию активной коллекторной термостабилизации (см. раздел 1.1). Требуемые токи покоя устанавливаются подбором номиналов резисторов R12 и R20.

Выходной и предоконечный каскады усилителя работают в режиме с автоматической регулировкой потребляемого тока (см. раздел 6). Начальные токи потребления транзисторов VT9, VT12, равные 0,5 А и 0,7 А, устанавливаются подбором номиналов резисторов

R25 и R30. Максимальные значения токов потребления каждого из каскадов определяются в процессе настройки усилителя на максимальную мощность и устанавливаются подбором номиналов резисторов R34, R35. В [53] показано, что линейность амплитудной характеристики усилителя с автоматической регулировкой потребляемого тока зависит от выбора области регулирования потребляемого тока и может быть значительно выше линейности усилителя с фиксированной рабочей точкой. Поэтому в процессе настройки начальные токи потребления транзисторов VT9, VT12 могут быть изменены.

Во всех каскадах усилителя использованы реактивные межкаскадные корректирующие цепи третьего порядка [70], где в качестве одного из элементов корректирующей цепи используется индуктивная составляющая входного импеданса транзистора.

Оптимальное сопротивление нагрузки мощного транзистора, на которое он отдает максимальную мощность, составляет единицы ом [9]. Поэтому между выходным каскадом и нагрузкой усилителя включен трансформатор импедансов Тр1 с коэффициентом трансформации 1:4, выполненный на длинных линиях [87] с волновым сопротивлением 37 Ом и длиной 18 см.

Методика изготовления длинных линий с заданным волновым сопротивлением заключается в следующем. Длинные линии трансформатора изготавливаются из двух либо четырех изолированных медных скрученных проводов диаметром 0,2...0,8 мм. Для этого берется два квадрата из стеклотекстолита со сторонами 3...4 см с просверленными отверстиями в каждом из углов квадрата. В отверстия вставляются и закрепляются два или четыре провода. Один из квадратов закрепляется неподвижно, а второй вращается с помощью дрели. Для этого в его середине просверливается отверстие, в которое вставляется винт, вращающий квадрат. На сантиметр длины линии должно приходиться около 4...6 скруток. В случае использования четырехпроводной линии концы близлежащих проводов либо концы противолежащих проводов спаивают между собой. В зависимости от толщины используемого провода, количества скручиваемых проводов и способа соединения проводов четырехпроводной линии можно изготовить длинные линии с волновым сопротивлением 5...90 Ом.

Управление работой системы автоматической регулировкой потребляемого тока и схемы защиты от рассогласования по выходу осуществляется сигналами с выходов широкополосного датчика падающей и отраженной волны, подробное описание и методика изготовления которого приведены в [88].

Датчик содержит детектор отраженной волны на диоде VD7, детектор падающей волны на диоде VD8 и широкополосный направленный ответвитель, состоящий из второго Тр2 и третьего ТрЗ трансформаторов и резисторов R39 и R44.

Трансформаторы Тр2 и ТрЗ выполнены на ферритовых кольцах ФМ20ВН-3 (типоразмер К20х10х5). Первичными обмотками трансформаторов являются полосковые линии передачи, проходящие сквозь ферритовые кольца. Вторичные обмотки трансформаторов выполнены в виде шести витков изолированного медного провода диаметром 0,6 мм, намотанного на ферритовые кольца.

Работа системы автоматической регулировки потребляемого тока заключается в следующем. С помощью резистора R42 напряжение на эмиттере транзистора VT14 устанавливается равным напряжениям на базах транзисторов VT8 и VT10. В этом случае при отсутствии выходного сигнала начальные токи потребления транзисторов VT9, VT12 не будут зависеть от номиналов резисторов R34,

R35. При появлении сигнала на выходе усилителя на выходе детектора падающей волны широкополосного датчика, реализованного на диоде VD8, появляется отрицательное напряжение, уменьшающее напряжение на конденсаторе С27 и соответственно на базе транзистора VT14. Это уменьшение пропорционально выходной мощности, отдаваемой транзистором VT12 в нагрузку, и не зависит от сопротивления нагрузки. Напряжение на эмиттере VT14 также уменьшается, приводя к увеличению токов потребления транзисторов VT9, VT12. Для ограничения области регулирования потребляемого тока заданным верхним пределом в схему введен стабилитрон VD6, ограничивающий неконтролируемое уменьшение напряжения на эмиттере транзистора VT14.

Для защиты усилителя от холостого хода и короткого замыкания нагрузки сигнал управления с выхода детектора отраженной волны широкополосного датчика, реализованного на диоде VD7, подается на базу транзистора VT1, которая является управляющим входом стабилизатора напряжения. При заданном уровне рассогласования нагрузки с выходным сопротивлением ШУМ транзистор VT1 открывается, что приводит к уменьшению напряжения на первой ножке микросхемы DA1. Вследствие этого напряжение питания усилителя уменьшается, уменьшая его коэффициентов усиления. Поэтому мощность сигнала на выходе усилителя будет падать пропорционально росту КСВН нагрузки.

Схема защиты от перегрузки по входу на диодах VD1 и VD2 обеспечивает снижение напряжения питания усилителя до 1...2 В при подаче на его вход сигналов с амплитудой больше номинального значения.

На входе усилителя включен аттенюатор на резисторах R2, R3 и R5, обеспечивающий согласование входа усилителя с сопротивлением генератора усиливаемых сигналов.

Управляемый стабилизатор напряжения на транзисторах VT1, VT2 и микросхеме DA1 формирует стабильное напряжение питания усилителя равное 24 В при изменении напряжения источника питания в пределах 26...45 В. Установка напряжения питания усилителя на заданное значение осуществляется резистором R7.

Схема термозащиты, при ее срабатывании, создает управляющее напряжение, вводящее транзистор VT1 в насыщение, и снижение напряжения питания усилителя до 1...2 В. Терморезистор схемы термозащиты R18 приклеивается к корпусу усилителя эпоксидным клеем. С увеличением температуры корпуса сопротивление терморезистора падает, что приводит к запиранию транзистора VT6 и

Рис. 8.10. Чертеж печатной платы широкополосного усилителя мощности

подаче напряжения с его коллектора на управляющий вход стабилизатора напряжения.

Блок управления вентилятором JF-1225S1H устанавливается на требуемую температуру срабатывания соответствующим выбором номинала резистора R31. Блок содержит цепь положительной обратной связи в виде резистора R33, которая устраняет переходные процессы при включении и выключении вентилятора.

Диод VD3 предназначен для защиты транзисторов усилителя от пробоя при неправильном выборе полярности напряжения источника питания.

Печатная плата усилителя (рис. 8.10) размером 195x100 мм изготавливается из фольгированного с двух сторон стеклотекстолита толщиной 2...3 мм. Для удобства изготовления печатной платы на рис. 8.10 приведена миллиметровая сетка.

На рис. 8.11 приведен чертеж основания усилителя, которое при эксплуатации усилителя необходимо устанавливать на радиатор, обдуваемый вентилятором, для чего по краям основания высверлены отверстия диаметром 4,2 мм.

На рис. 8.12 показано расположение элементов усилителя, где пунктирной линией обозначены места металлизации торцов печатной платы, что необходимо для устранения паразитных резонансов и заземления нужных её участков.

На рис. 8.13 приведена фотография внешнего вида усилителя.

Настройка усилителя состоит из следующих этапов.

Перед настройкой усилителя для устранения влияния системы автоматической регулировки потребляемого тока и схем защит на его работу следует удалить из схемы элементы Rl, VD5, R40, СЗО.

Рис. 8.11. Чертеж основания усилителя

Рис. 8.12. Расположение элементов усилителя

Раздел

Рис. 8.13. Фотография широкополосного усилителя мощности

Вначале производится покаскадная настройка амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) усилителя. Для этого с помощью резисторов R12, R20, R25, R30 устанавливаются токи покоя транзисторов VT4, VT7, VT9, VT12. Затем в качестве нагрузки транзистора VT4 через разделительный конденсатор подключается резистор сопротивлением 75 Ом. Подбором ёмкости конденсатора С5 достигается равномерная АЧХ каскада в области нижних и средних частот полосы пропускания. Подбором ёмкости конденсатора С6 достигается выравнивание АЧХ в области верхних частот полосы пропускания. Если этого не удается достичь, следует уменьшить емкость конденсатора С5. Далее к первому каскаду подключается второй, и процесс настройки повторяется.

После формирования АЧХ усилителя в режиме малого сигнала с помощью резистора R42 на эмиттере транзистора VT14 устанавливается минимальное напряжение, ограниченное стабилитроном VD6. В качестве R34, R35 впаиваются переменные резисторы, и с их помощью определяются токи потребления транзисторов VT9 и VT12, при которых усилитель отдает в нагрузку максимальную мощность в заданной полосе частот. Для транзисторов VT9 и VT12 эти токи ориентировочно равны 2,5 А и 3,5 А. Теперь с помощью резистора R42 на эмиттере транзистора VT14 устанавливается напряжение, равное напряжению на базах транзисторов VT8 и VT10. После этого переменные резисторы заменяются на постоянные R34 и R35 с сопротивлениями, равными сопротивлениям переменных резисторов.

После установки в схему конденсатора СЗО следует определить зависимость токов, потребляемых транзисторами VT9 и VT12, от уровня выходной мощности. Если на выходе детектора падающей волны широкополосного датчика уровень сигнала больше требуемого значения, то токи транзисторов VT9 и VT12 достигнут значений 2,5 А и 3,5 А при выходной мощности меньше максимальной величины. В этом случае следует увеличить напряжение стабилизации стабилитрона VD6 и повторить процесс настройки. И, наоборот, при малом сигнале на выходе детектора падающей волны широкополосного датчика следует уменьшить напряжение стабилизации стабилитрона VD6.

Теперь вводя и изменяя сопротивление резистора R1, необходимо так настроить схему защиты от перегрузки по входу, чтобы при превышении входным сигналом значения, соответствующего выходной мощности 20 Вт, сигнал на выходе усилителя пропадал.

Далее при уровне выходного сигнала 20 Вт параллельно стандартной нагрузке 75 Ом периодически подключается двухваттный резистор сопротивлением 75 Ом и с помощью изменения номинала резистора R40 устанавливается порог срабатывания схемы защиты от рассогласования по выходу. В случае правильного выбора резистора R40 подключение дополнительного двухваттного резистора 75 Ом к выходу усилителя должно приводить к небольшому уменьшению потребляемого усилителем тока. В этом случае короткое замыкание нагрузки или ее холостой ход будут сопровождаться уменьшением тока потребления в 3...6 раз.

Настройка схемы термозащиты сводится к впаиванию диода VD5 и установке термозащиты на заданную температуру срабатывания с помощью подбора сопротивления резистора R16. Технические характеристики усилителя:

полоса рабочих частот, МГц..................................10...240

максимальный уровень выходной мощности, Вт, не менее ... 20 неравномерность амплитудно-частотной характеристики, дБ ±1,5

коэффициент усиления, дБ ..................................34

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

потребляемый ток в режиме молчания, А ...................1,9

максимальное значение потребляемого тока, А ..............6,7

напряжение питания, В ......................................26...45

габаритные размеры корпуса усилителя, мм .................195x100x40