Проектирование структурной схемы усилителя мощности

Современный уровень развития РЭА и ее элементной базы позволяет в настоящее время создавать полностью твердотельные УКВ ЧМ и телевизионные передатчики с выходной мощностью до 5кВт. Усилительные тракты на основе широкополосных транзисторных усилителей имеют ряд преимуществ по сравнению с ламповыми. Твердотельные передатчики более надежны, электробезопасны, удобны в эксплуатации и легче в производстве.

Выходные усилители ТВ передатчиков выполняются при этом по блочно-модульному принципу. Радиочастотный тракт усилителя состоит из нескольких независимых усилительных модулей – блоков усилителей мощности (БУМ), работающих на устройство сложения.

Типовая структура такого усилителя содержит неразветвленный тракт усиления (ТУ), блок деления мощности (БДМ), усилительные модули (ОУ_i), блок сложения мощностей (БСМ).

Рис.1. Структура усилительного тракта

На практике в качестве БДМ и БСМ чаще используют квадратурные мостовые схемы. При этом применяют метод попарного объединения сигналов, так как в этом случае суммируются мощности однотипных усилителей, что технически легче реализовать. Однако количество объединяемых модулей в этом случае кратно 2ⁿ, где n=1,2,3,... и, зачастую, превышает необходимое количество.

На рис.2 представлена структурная схема усилителя, построенного на четырех усилительных модулях.

Рис.2. Мостовая схема сложения на квадратурных мостах

При блочно-модульной конструкции передатчика отказ одного из блоков оконечного усилителя не приводит к срыву эфирного вещания, поскольку передача будет продолжаться до замены блока, только с пониженной мощностью. Кроме того, широкополосный тракт транзисторного усилителя не требует дополнительной настройки на конкретный канал в пределах рабочей полосы частот.

Принято считать, что надежность передатчика зависит, прежде всего, от надежности применяемых активных компонентов. Благодаря применению современных мощных линейных СВЧ транзисторов, конструктивные особенности и технология изготовления которых обеспечивают существенное увеличение их времени наработки на отказ, вопрос повышения надежности твердотельных передатчиков получил принципиальное решение.

В настоящее время обеспечен широкий выбор транзисторов (биполярных и MOSFET), на базе которых могут быть построены модули с выходной мощностью 300-350 Вт. В современных передатчиках все чаще применяются транзисторы серии MOSFET. Например, это транзисторы MRF150G (Motorola) и BLF278 (Philips).

Решение задачи проектирования структуры усилительного тракта включает:

· определение расчетных значений мощностей оконечного и предоконечных усилителей;

· выбор приборов для этих усилителей;

· определение способа получения нужной мощности от вы­бранных приборов меньшей мощности;

· выбор схем включения приборов и режимов усилителей;

· установление коэффициентов усиления мощности оконеч­ного и предоконечного усилителя;

· выбор напряжений питания для используемых приборов.

Расчет усилителя начинается со стороны антенны, с оконечного усилителя. Считаем, что мощность на выходе возбудителя (на входе усилительного тракта) соответствует 100мВт.

Расчетное значение мощности усилителя находят по заданной мощности на главном фидере и потерь в линейном тракте:

Р₁ = k _З Р_{1 ном.}

Потери учтены с помощью коэффициента запаса k _З. Предлагаем принять этот коэффициент равным 1,2-1,3.

Выбор приборов. Справочные данные приборов, рекомендуемых для проектирования, представлены в табл.2-3. Определяю­щими выбор прибора факторами являются мощность усилителя и диапазон час­тот, в котором он работает.

Приборы, пара­метры которых даны в первых трех строках табл.2, требуют вклю­чения на входе цепей кор­рекции АЧХ. Остальные имеют малую неравномерность частотной зависимости коэффициента усиления мощности, корректирующие цепи которых являются частью самого прибора.

Таблица 2

Таблица 3

Имея в виду сказанное выше, выбирают приборы для оконеч­ного усилителя. Это всегда приборы одной модификации. У нас принято использовать номинальную мощность приборов полно­стью, хотя это и необязательно. Целесообразность сделанного вы­бора по­веряют определением коэффициента использования уста­новленной мощности:

где Р_{~ ном РС} - номинальная мощность радиостанции,

N - число выбранных приборов,

Р_{~ ном пр} - номинальная мощность прибора по справочным данным.

Оптимальное значение коэффициента k_{Р уст} лежит в интервале от 0,8 до 1,0. Выбрав прибор, сле­дует указать ближайшие к нему по мощности. Для выбранного при­бора приводят его параметры, указанные в справочных дан­ных.

Схема включения приборов. Схему включения транзистора указывают в справочных дан­ных, она определена конструктивным выполнением прибора.

Определение способа получения нужной мощности усилителя. Эта проблема возникает, когда требуемую мощность дают несколько однотипных приборов (N >1). Сложение их мощностей выполняют с помощью мостовых схем. Устанавливают необходимое число мос­тов сложения и способ их соединения. Многомодульные схемы предпочтительно строить на четном числе приборов, удовлетво­ряющем условию N = 2 ^k, где k - число натурального ряда 1, 2, 3, … В этом случае применяют попарное суммирование мощностей на уни­фицированном для данного устройства элементе. Многополюсные сумматоры эффективнее, чем попарные, но их применение пока ог­раничено. В курсовом проектировании огра­ничимся данной выше рекомендацией.

Выбор режима усилителя и угла отсечки тока. Усиление колебаний с переменной амплитудой в каскадах на тран­зи­сторах выполняют в недонапряженном (ξ<ξ_гр) режиме, где первая гармоника выходного тока чувствительна к изменениям возбуж­даю­щего прибор напряжения. Уровень нелинейных искажений ми­нимален при двух значениях угла отсечки тока: θ=90˚ (режим В) и θ=180˚ (режим А). Первый дает больший в 1,57 раза электрон­ный КПД и применяется в мощных усилителях. Второй исполь­зуют в каскадах малой мощности, когда значение их η _е существен­ной роли в потребляемой радиостанцией мощности не играет. Транзисторы, работая в классе А, вносят существенно меньше искажений, чем в классе В, благодаря меньшим в этом случае вариа­циям их парамет­ров.

Определение напряжений питания. Получение от прибора номи­нальной или близкой к ней мощности требует применения номи­нальных напряжений питания. Когда возможности прибора ис­поль­зуют лишь частично (k_{Р уст} ≤ 0,9), рекомендуют уменьшить на­пряже­ние питания выходного электрода, приняв

Е _п = Е _{п ном} Р_~ / Р_{~ ном},

где Е _{п ном} и Р_{~ ном} - номинальные напряжения питания и мощ­ность прибора, а Р_~ - расчетная мощность усилителя (на один при­бор).

Результаты проектирования структурной схемы необходимо представить в виде табл.4. В тексте пояснительной записки дают обоснование всех данных в ней параметров оконечного и предоконечных усилителей.

Таблица 4

ПАРАМЕТРЫЭЛЕМЕНТОВ СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫУМ

Проектирование транзисторного УМК.

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

Расчет режима. В качестве исходных данных к расчету режима выбирают:

· мощность в нагрузочной цепи – P_~ ;

· угол отсечки тока коллектора – θ;

· напряжение питания коллектора – Е_к .

Угол отсечки тока θ и напряженность режима выбирают, руководствуясь приведенными выше соображениями. Примем θ = 90˚ и ξ ⁄ ξ_гр ≤ 0,9.

Расчет коллекторной цепи:

1. Амплитуда переменного напряжения U_{к макс} ≤ 0,8 Е_к, что обеспечивает работу в недонапряженном режиме при допустимой нелинейности СМХ.

2. Амплитуда первой гармоники тока коллектора:

3. Постоянная составляющая тока коллектора:

где α₀ и α₁ – коэффициенты разложения косинусоидального импульса, для θ = 90˚ имеем α₀ = 0,32 и α₁ = 0,50.

4. Подводимая к коллектору мощность: P_к0 = E_к I_к0.

5. Электронный КПД коллекторной цепи:

6. Сопротивление нагрузки:

Расчет входной цепи. Коррекцию частотных характеристик входных цепей транзисторов выполняют так, что во всем рабочем диапазоне частот допустимо принять коэффициент передачи тока h_21оэ≈1,5-3. Увеличение значения h_21оэ по мере увеличения частоты компенсируют увеличением потерь во входной цепи, удерживая коэффициент усиления мощности приблизительно постоянным.

Исходные данные к расчету:

· мощность в коллекторной нагрузке P_~;

· первая гармоника и постоянная составляющая тока коллектора I_к1 и I_к0;

· коэффициент передачи тока в схеме с ОЭ на верхней частоте диапазона h_21оэ;

· коэффициент усиления мощности k _уР.

Расчет входной цепи:

1. Амплитуда первой гармоники тока базы: I_б1 = I_к1/h_21оэ.

2. Мощность возбуждения: P_{~ возб} = P_~ / k _уР.

3. Входное сопротивление:

схема с ОЭ

схема с ОБ

Полученные значения r _к и r _вх не учитывают влияние обратных связей через емкости перехода коллектор-база и индуктивность вывода эмиттера или базы в зависимости от схемы включения. В схеме с ОЭ обратная связь приводит к передаче части входной мощности в нагрузку, а в схеме с ОБ создает положительную обратную связь. Учтем эти особенности работы приборов, приняв в схеме с ОЭ r _вх в 1,3-1,5 раза больше, чем рассчитанное выше, а в схеме с ОБ во столько же раз меньшим.

4. Постоянная составляющая тока базы: I_б0 = I_к0 /h_21оэ.

5. Напряжение смещения на базе (эмиттере): Е_б0 ≈ Е_б = 0,7 – 1,0В. Его подбирают при регулировке режима по минимуму нелинейных искажений.

Проверку рассеиваемых в транзисторе мощностей делать не будем. При выбранных нами параметрах P_~, P_{~ возб} и Е_к в этом нет необходимости, поскольку они основаны на экспериментальных справочных данных.