Проектное решение оконечного усилителя

Включает определение режима транзистора, расчет согласующих входной (СВЦ) и нагрузочной (СНЦ) цепей. Строгий расчет требует применения ЭВМ и знания параметров всех элементов эквивалентной схемы прибора. На практике разработчики передающего устройства пользуются сведениями из справочных данных прибора.

Расчет режима. Исходные данные к расчету:

Максимальная мощность в нагрузочной цепи P_~МАКС=150 Вт;

Угол отсечки тока коллектора Q=70°;

Напряжение питания коллектора E_К=25 В;

Расчет коллекторной цепи

1. Амплитуда переменного напряжения U_К.МАКС<0,8E_КÞU_К.МАКС=20В, что обеспечивает работу в недонапряженном режиме при допустимой для раздельного усиления нелинейности СМХ.

2. Амплитуда первой гармоники тока коллектора

3. Постоянная составляющая тока коллектора

где a₀=0,25 и a₁=0,43 - коэффициенты разложения косинусоидального импульса, для Q=70°.

4. Подводимая к коллектору мощность P_К0=E_К×I_К0=25×9=225 Вт.

5. Рассеиваемая коллектором мощность P_КОЛ=P_К0 - P_~МАКС=225-150=75 Вт.

6. Электронный КПД коллекторной цепи

7. Сопротивление нагрузки

Для получения максимального электронного КПД необходимо применять комплексное нагрузочное сопротивление. В широкой полосе частот активная составляющая нагрузки изменяется несильно. Реактивная составляющая соизмерима с активной и иногда меняет знак в полосе частот. На нижней частоте диапазона (f=50 МГц) ток через емкости перехода коллектор – база компенсирован током через индуктивность общего электрода. Здесь требуется емкостное сопротивление . Оно невелико и медленно растет по мере роста частоты. Преобладание индуктивной связи между входом и выходом усилителя над емкостной свойственно многим приборам, работающим в схеме с ОЭ на частотах до 250 Мгц. Требования к сопротивлению выполняют при проектировании нагрузочной цепи. В расчете режима находят активные составляющие сопротивлений нагрузки и входного . Только их и учитывают при расчете нагрузочной и входной согласующих цепей. Реактивные принимаются равными нулю, как неизвестные.

Расчет входной цепи

Исходные данные к расчету:

• Мощность в коллекторной нагрузке P_~МАКС=150 Вт;
• Первая гармоника I_К1=15 А, и постоянная составляющая тока коллектора I_К0=10 А;
• Значение коэффициента передачи тока в схеме с ОЭ h_21ОЭ=2;
• Значение коэффициента усиления мощности k_УР=5.

1. Мощность возбуждения P_~ВОЗБ= P_~МАКС/5=150/5=30 Вт.

2. Амплитуда первой гармоники тока базы I_Б1= I_К1/ h_21ОЭ=15/2=7,5 А.

3. Входное сопротивление в схеме с ОЭ:

Полученные значения r_ВХ и r_К не учитывают влияние обратных связей через емкости перехода коллектор – база. В схеме с ОЭ обратная связь приводит к передаче части входной мощности в нагрузку. Учтем эту особенность, приняв r_ВХ=1,5×0,474=0,711 Ом.

4. Постоянная составляющая тока базы I_Б0= I_К0/ h_21ОЭ=5 А.

5. Напряжение смещения на базе подбирают при регулировке режима по минимуму нелинейных искажений (.

Принципиальная схема транзисторного усилителя

Принципиальная схема усилителя оконечного каскада передатчика приведена на рис.4.

В данной схеме применен транзистор с высоким усилением. Цепь ООС С4R1L4 снижает усиление до допустимого уровня и расширяет полосу частот с равномерной АЧХ. Транзистор работает в канале звука с углом отсечки коллекторного тока Q=70°.

Нагрузочная и входная цепь усилителя

Исходные данные к расчету:

• Сопротивление нагрузки r_Н=1,2 Ом;
• Волновое сопротивление фидера R_Ф=50 Ом;
• Добротность нагруженного контура Q_Н=4;
• Несущая частота канала звука f_НЕС.ЗВ=56,25 МГц.

Нагрузочная цепь (Рис. 5.) соединяет выход транзистора VT с нагрузкой усилителя, обычно фидером с волновым сопротивлением 50 Ом. Фидеры работают на согласованную нагрузку (КСВ < 1,1). Требования к цепи следующие: обеспечение расчетного сопротивления r_К в диапазоне рабочих частот и фильтрация высших гармоник, обеспечивающая гармоническую форму напряжения на переходе. Значение r_К по диапазону меняется слабо. Нагрузочную цепь строят полосовой, неперестраиваемой, по меньшей мере, в одном диапазоне частот. Требование к линейности ФЧХ, равномерности АЧХ и КПД цепи выполняется в этом случае само по себе.

В рассматриваемой схеме резонансными выполняют контуры L3C3 и L7C7. Второй слабо связан с транзистором малой индуктивностью L6. Коэффициент включения транзистора в цепь нагрузки

Приняв добротность нагруженного контура Q_Н=4, имеем

Согласование низкого входного сопротивления мощного транзистора с сопротивлением источника возбуждения является сложной задачей. Ее решение упрощается, если входной контур, включающий полное входное сопротивление прибора сделать параллельным резонансным (L3C3). Такой контур дает коэффициент трансформации сопротивлений Q_Н². Тогда цепь C1L1C2L2 нагружается на активное сопротивление

Произведем расчет элементов принципиальной схемы, используя полученные соотношения:

Во входной цепи (Рис. 6) источник возбуждения представляет здесь генератор напряжения U_В с амплитудой, вдвое большей, чем амплитуда падающей волны во входном фидере, и внутренним сопротивлением, равным волновому сопротивлению фидера. Входное сопротивление СВЦ в точках включения источника напряжения должно равняться волновому сопротивлению фидера.

Таким образом, здесь необходимо согласовать малое сопротивление r_ВХ с сопротивлением W_Ф или сопротивлением r_К возбуждающего транзистора. СВЦ трансформирует входное сопротивление транзистора в нагрузочное сопротивление входного фидера, которое рассматривают как внутреннее сопротивление источника возбуждения. В пределах диапазона частот коэффициент усиления транзистора и его входное сопротивление меняются в небольших интервалах. Входную цепь строят неперестраиваемой, а изменение коэффициента усиления по диапазону корректируют регулировкой уровня сигнала на входе усилителя. Во входной цепи необходимо согласовать высокое волновое сопротивление фидера с низким входным сопротивлением транзистора. Аналогично строится и сама цепь. Она включает в себя два контура: апериодический фидерный и резонансный входной. Это позволяет сохранить для входных цепей тот же порядок расчета, что и для выходных.

Цепи питания являются частью нагрузочных и согласующих цепей. В транзисторных усилителях применяют схемы параллельного питания, что возможно во всех диапазонах вследствие малости нагрузочных сопротивлений твердотельных приборов. Блокировочные элементы параллельных цепей питания имеют следующие значения: