Формы напряжения и тока на выходе АЭ

Теория к лаб. раб. №4

Общая эквивалентная схема усилителя мощности изображена на рис. 1. Она включает в себя активный элемент (АЭ) – в данном случае, полевой или биполярный транзистор, входную и выходную согласующе-трансформирующие цепи, а также цепи питания и смещения.

Рис.1. Общая эквивалентная схема усилителя мощности

Электрический режим работы усилителя мощности характеризуется следующими основными показателями:

- выходной мощностью первой гармоники сигнала ;

- мощностью потребления по коллекторной цепи ;

- КПД по коллекторной цепи относительно первой гармоники (называемым также электронным КПД);

- коэффициентом усиления сигнала по мощности ;

- уровнем побочных составляющих в нагрузке;

- полосой пропускания или амплитудно-частотной характеристикой;

- показателями, определяющими величину нелинейных искажений сигнала.

Работа усилителя в значительной степени зависит от подключенных к нему устройств: источника входного высокочастотного сигнала, нагрузки и источника постоянного напряжения. Последние характеризуются следующими основными параметрами, называемыми ниже внешними по отношению к усилителю:

- номинальной мощностью , частотой и внутренним сопротив­лением источника входного сигнала;

- напряжением источника питания коллектора , сопротивлением кол­лекторной нагрузки ( – сопротивление, пересчитанное к выходным электродам транзистора).

Зависимости энергетических показателей усилителя от внешних параметров составляют определенные се­мейства характеристик:

- нагрузочные: функции , , , и т. д. от со­противления внешней нагрузки ;

- амплитудные: функции , , , и т. д. от входной мощности ;

- модуляционные: функции , , , и т. д. от напряжения питания коллектора ;

- частотные: функции , , , и т. д. от часто­ты входного сигнала .

Примерный вид данных характеристик для выходной мощности показан на рисунке 2, причем для всех гра­фиков принято . Любому режиму работы генератора соответствуют определенные координаты на плоскости этих характеристик.

а)	б)
в)	г)
Рис. 2. Семейства нагрузочных (а), амплитудных (б), модуляцион­ных (в) и частотных (г) характеристик транзисторного генератора.

Помимо перечисленных, возможны и другие типы характеристик, например зависимости энергетических параметров от напряжения смещения на базе и т. д. Однако, указанные выше четыре типа являются наиболее важными для определения работы усилителя.

В транзисторном усилителе следует различать следующие режимы работы:

- недонапряженный;

- критический;

- перенапряженный;

- клю­чевой.

Два последних случая можно объединить в один общий класс, называемый режимом насыщения.

Режим рабо­ты усилителя можно определить по расположению динамической характеристики, т. е. зависимости, связы­вающей координаты рабочей точки в течение всего периода колебаний, на плоскости вольт-амперных характеристик. Режим называется недонапряженным, если динамическая характеристика занимает активную область и область отсечки на плоскости вольт-амперных характеристик (рис. 3). При частичном заходе дина­мической характеристики в область насыщения режим работы генератора становится перенапряженным. Раз­деляет два данных режима критический режим работы. При последнем, динамическая характеристика должна касаться линии критического режима, совпадающей с линией насыщения, т. е. проходящей через точки рез­кого спада коллекторного тока семейства вольт-ампер­ных характеристик (рис. 3). Четвертый режим работы транзисторного генератора называется ключевым. В этом режиме транзистор – ключевое устройство – в течение одной части периода колебаний находится в области насыщения, в течение другой – отсечки. Вре­мя переключения транзистора, в течение которого рабо­чая точка находится в активной области, принимают равным нулю. Ключевой режим работы можно рассмат­ривать как крайний, вырожденный случай перенапря­женного режима. Различие между ними сводится в ос­новном к получению различных форм импульсов кол­лекторного тока и напряжения.

Рис. 3. Динамические ха­рактеристики при недонапряженном (1), критиче­ском (2) и перенапряжен­ном (3) режимах работы; 4 – линия критического ре­жима.

Теория к лаб. раб. №5

Режимы работы усилителя мощности, для которых характерна сложная форма напряжения на выходе активного элемента (АЭ), образуемая рядом гармоник называются полигармоническими. В общем случае

,

однако практически число подлежащих учету гармоник ограничено.

Наиболее простым частным случаем полигармонических режимов являются бигармонические, в которых выходное напряжение АЭ содержит кроме постоянной составляющей и первой гармоники еще одну из высших гармоник (обычно, 2-ю или 3-ю). При этом, на выходе АЭ обеспечивается короткое замыкание для четных гармоник основной частоты и режим холостого хода для нечетных (класс F). Примечательно, что при такой настройке в токе присутствуют только четные гармоники основного сигнала, а в напряжении – только нечетные (либо наоборот). Другими словами, либо ток, либо напряжение, но не оба сразу отличны от нуля на каждой из частот высших гармоник, и рассеяния мощности на них не происходит.

Рис. 3.1 Эквивалентная схема выходной СТЦ класса F с настройкой до третьей гармоники

Выходная согласующе-трансформирующая цепь (СТЦ) класса F в общем случае представляет собой многорезонаторный фильтр гармоник. Эквивалентная схема цепи с настройкой до 3-й гармоники представлена на рис. 3.1. (способ расчета компонентов схемы см. в лабораторной работе №1).

Формы напряжения и тока на выходе АЭ

Идеальные формы тока и напряжения (см. рис. 3.2) могут быть получены при контроле входного импеданса выходной СТЦ для бесконечного числа гармоник. Однако, поскольку практически реализовать цепь, удовлетворяющую этому требованию, является очень сложной задачей, обычно ограничиваются настройкой импеданса на гармониках более низких порядков (до пятой), как наиболее «энергетически выгодных».

Рис. 3.2 Идеальные формы тока и напряжения на выходе транзистора в усилителе класса F.