Широкополосный усилитель вч мощности. Простые усилители высокой частоты (УВЧ) для приемников. Наличие искажений в различных классах НЧ-усилителей

Широкополосные усилители являются неотъемлемой частью многихрадиотехнических систем и устройств. В ряде случаев помимо прочих к ним предъявляются требования согласования со стандартным 50- либо 75-омным трактом. Одним из наиболее удачных схемных решений построения таких

усилителей является использование перекрестных обратных связей (Л1, Л2, Л3), обеспечивающих согласование по входу и выходу, неизменное значение верхней граничной частоты при увеличении числа каскадов усилителей и высокую повторяемость их характеристик. Кроме того, усилители с перекрестными обратными связями практически не требуют настройки.

Технические характеристики усилителя:

1. Полоса рабочих частот.. 0,5-70 МГц.
2. Выходное напряжение, не менее... 1 V.
3. Коэффициент усиления.....20±1 Дб.
4. Входное/выходное сопротивление.. 50 Ом.
5. Потребляемый ток........ 120мА.
6. Напряжение питания..........12В.
7. КСВН по входу, не более.........1,5.
8. КСВН по выходу, не более.........3.
9. Габаритные размеры..... 70x45 мм.

Принципиальная схема

На рис. 1 приведена принципиальная схема усилителя с перекрестными обратными связями, в котором выходной каскад реализован по схеме Дарлингтона, то есть, использовано последовательно-параллельное включение транзисторов, что позволяет увеличить уровень выходного напряжения (Л.4). На рис.

2 приведен чертеж печатной платы.

Усилитель содержит два предварительных каскада на транзисторах МЕ1 и МЕ2 и выходной каскад на транзисторах МЕЗ и МЕ4, включенных по схеме Дарлингтона.

Все каскады усилителя работают в режиме класса А с токами потребления 27 мА, которые устанавливаются подбором номиналов резисторов R1, R5, R9, R13. Резисторы R3, R7, R10, R14 являются резисторами местной обратной связи. Резисторы R4, R8, R12 - резисторы общей обратной связи.

Рис. 1. Принципиальная схема широкополосного усилителя ВЧ.

Печатная плата (рис. 2) размером 70x45 мм изготавливается из фольгированного с двух сторон стеклотекстолита толщиной 2...3 мм. Пунктирными линиями на рис.

2 обозначены места металлизации торцов, что может быть сделано с помощью металлической фольги, которая припаивается к нижней и верхней части платы.

Рис.2. Печатная плата усилителя ВЧ.

Настройка усилителя состоит из следующих этапов. Вначале с помощью резисторов R1, R5, R9, R13 устанавливаются токи покоя транзисторов усилителя. Затем, варьируя в небольших пределах номиналом резистора R4, минимизируется коэффициент стоячей волны напряжения по входу усилителя.

Коэффициент стоячей волны напряжения по выходу усилителя минимизируется с помощью резистора R12. Изменением номинала резистора R8 регулируется полоса пропускания и коэффициент усиления усилителя.

При необходимости верхняя граничная частота усилителя может быть увеличена. Для этого следует заменить транзисторы КТ315Г на более высокочастотные. В этом случае для схемы, приведенной на рис.

1, верхняя граничная частота будет составлять величину порядка 0,25...0,3 Fт, где Fт - граничная частота коэффициента передачи тока базы транзистора (Л.5). Использование рассматриваемого схемного решения позволяет осуществлять создание усилителей с верхней граничной частотой до 2 ГГц (Л.2). При их построении следует учитывать, что цепи общей обратной связи, состоящие из элементов С4, R4; С6, R8; С7, R12, должны быть по возможности короче.

Это объясняется необходимостью устранения излишней фазовой задержки сигнала в этих цепях. В противном случае амплитудно-частотная характеристика усилителя в области верхних частот оказывается с подъёмом. При значительном удлинении указанных цепей возможно самовозбуждение усилителя.

Титов А. Рк2005, 1.

Литература:

1. Титов А. А. Упрощенный расчет широкополосного усилителя. Радиотехника, 1979, №6, с. 88-90.
2. Авдоченко Б.И., Дьячко А.Н. и др. Сверхширокополосные усилители на биполярных транзисторах. Техника средств связи. Сер. Радиоизмерительная техника, 1985, Выл. 3, с. 57-60.
3. Абрамов Ф.Г., Волков Ю.А. и др. Согласованный широкополосной усилитель. Приборы и техника эксперимента. 1984. №2, с. 111-112.
4. Титов А.А., Ильющенко В.Н.Широкополосной усилитель. Патент по полезную модель №35491 Рос. агентства по патентам и товарным знакам. Опубл. 10.01.2004 Бюл. 1.
5. Петухов В.М.Транзисторы и их зарубежные аналоги: Справочник в 4 томах.

Эта схема ВЧ усилителя передатчика (на 50 МГц) имеет 100 Вт выходной мощности. Данный УВЧ использовал с моим FT-736R для DX SSB. Он усиливает сигнал ровно в 10 раз. Устройство прекрасно подходит для автомобильных радиостанций таксистов, работающих в диапазонах 50 и 27 МГц (с перестройкой контуров).

Если вы хотите построить этот радиочастотный усилитель, собирайте его на двухсторонней печатной плате - для увеличения площади заземления. Транзистор 2SC2782 нуждается в приличном радиаторе. Максимальная мощность на выходе - 120W.

Схема усилителя мощности ВЧ

Рисунок печатной платы

Технические характеристики усилителя:

• Входная Мощность: 10W
• Выходная Мощность: 100W
• Рабочая Частота: 50-52MHz
• Режим работы: FM - SSB
• Рабочее Напряжение: 10-16 В постоянного тока
• Рабочий Ток: 10 ампер.

Схема была взята с одного китайского сайта и успешно повторена, только не использовались элементы детектора автоматического переключения приём-передача (на схеме зачёркнуты). Для создания УВЧ на частоты от 100 мегагерц - воспользуйтесь .

Простейший усилитель на транзисторах может быть хорошим пособием для изучения свойств приборов. Схемы и конструкции достаточно простые, можно самостоятельно изготовить устройство и проверить его работу, произвести замеры всех параметров. Благодаря современным полевым транзисторам можно изготовить буквально из трех элементов миниатюрный микрофонный усилитель. И подключить его к персональному компьютеру для улучшения параметров звукозаписи. Да и собеседники при разговорах будут намного лучше и четче слышать вашу речь.

Частотные характеристики

Усилители низкой (звуковой) частоты имеются практически во всех бытовых приборах - музыкальных центрах, телевизорах, радиоприемниках, магнитолах и даже в персональных компьютерах. Но существуют еще усилители ВЧ на транзисторах, лампах и микросхемах. Отличие их в том, что УНЧ позволяет усилить сигнал только звуковой частоты, которая воспринимается человеческим ухом. Усилители звука на транзисторах позволяют воспроизводить сигналы с частотами в диапазоне от 20 Гц до 20000 Гц.

Следовательно, даже простейшее устройство способно усилить сигнал в этом диапазоне. Причем делает оно это максимально равномерно. Коэффициент усиления зависит прямо от частоты входного сигнала. График зависимости этих величин - практически прямая линия. Если же на вход усилителя подать сигнал с частотой вне диапазона, качество работы и эффективность устройства быстро уменьшатся. Каскады УНЧ собираются, как правило, на транзисторах, работающих в низко- и среднечастотном диапазонах.

Классы работы звуковых усилителей

Все усилительные устройства разделяются на несколько классов, в зависимости от того, какая степень протекания в течение периода работы тока через каскад:

1. Класс «А» - ток протекает безостановочно в течение всего периода работы усилительного каскада.
2. В классе работы «В» протекает ток в течение половины периода.
3. Класс «АВ» говорит о том, что ток протекает через усилительный каскад в течение времени, равного 50-100 % от периода.
4. В режиме «С» электрический ток протекает менее чем половину периода времени работы.
5. Режим «D» УНЧ применяется в радиолюбительской практике совсем недавно - чуть больше 50 лет. В большинстве случаев эти устройства реализуются на основе цифровых элементов и имеют очень высокий КПД - свыше 90 %.

Наличие искажений в различных классах НЧ-усилителей

Рабочая область транзисторного усилителя класса «А» характеризуется достаточно небольшими нелинейными искажениями. Если входящий сигнал выбрасывает импульсы с более высоким напряжением, это приводит к тому, что транзисторы насыщаются. В выходном сигнале возле каждой гармоники начинают появляться более высокие (до 10 или 11). Из-за этого появляется металлический звук, характерный только для транзисторных усилителей.

При нестабильном питании выходной сигнал будет по амплитуде моделироваться возле частоты сети. Звук станет в левой части частотной характеристики более жестким. Но чем лучше стабилизация питания усилителя, тем сложнее становится конструкция всего устройства. УНЧ, работающие в классе «А», имеют относительно небольшой КПД - менее 20 %. Причина заключается в том, что транзистор постоянно открыт и ток через него протекает постоянно.

Для повышения (правда, незначительного) КПД можно воспользоваться двухтактными схемами. Один недостаток - полуволны у выходного сигнала становятся несимметричными. Если же перевести из класса «А» в «АВ», увеличатся нелинейные искажения в 3-4 раза. Но коэффициент полезного действия всей схемы устройства все же увеличится. УНЧ классов «АВ» и «В» характеризует нарастание искажений при уменьшении уровня сигнала на входе. Но даже если прибавить громкость, это не поможет полностью избавиться от недостатков.

Работа в промежуточных классах

У каждого класса имеется несколько разновидностей. Например, существует класс работы усилителей «А+». В нем транзисторы на входе (низковольтные) работают в режиме «А». Но высоковольтные, устанавливаемые в выходных каскадах, работают либо в «В», либо в «АВ». Такие усилители намного экономичнее, нежели работающие в классе «А». Заметно меньшее число нелинейных искажений - не выше 0,003 %. Можно добиться и более высоких результатов, используя биполярные транзисторы. Принцип работы усилителей на этих элементах будет рассмотрен ниже.

Но все равно имеется большое количество высших гармоник в выходном сигнале, отчего звук становится характерным металлическим. Существуют еще схемы усилителей, работающие в классе «АА». В них нелинейные искажения еще меньше - до 0,0005 %. Но главный недостаток транзисторных усилителей все равно имеется - характерный металлический звук.

«Альтернативные» конструкции

Нельзя сказать, что они альтернативные, просто некоторые специалисты, занимающиеся проектировкой и сборкой усилителей для качественного воспроизведения звука, все чаще отдают предпочтение ламповым конструкциям. У ламповых усилителей такие преимущества:

1. Очень низкое значение уровня нелинейных искажений в выходном сигнале.
2. Высших гармоник меньше, чем в транзисторных конструкциях.

Но есть один огромный минус, который перевешивает все достоинства, - обязательно нужно ставить устройство для согласования. Дело в том, что у лампового каскада очень большое сопротивление - несколько тысяч Ом. Но сопротивление обмотки динамиков - 8 или 4 Ома. Чтобы их согласовать, нужно устанавливать трансформатор.

Конечно, это не очень большой недостаток - существуют и транзисторные устройства, в которых используются трансформаторы для согласования выходного каскада и акустической системы. Некоторые специалисты утверждают, что наиболее эффективной схемой оказывается гибридная - в которой применяются однотактные усилители, не охваченные отрицательной обратной связью. Причем все эти каскады функционируют в режиме УНЧ класса «А». Другими словами, применяется в качестве повторителя усилитель мощности на транзисторе.

Причем КПД у таких устройств достаточно высокий - порядка 50 %. Но не стоит ориентироваться только на показатели КПД и мощности - они не говорят о высоком качестве воспроизведения звука усилителем. Намного большее значение имеют линейность характеристик и их качество. Поэтому нужно обращать внимание в первую очередь на них, а не на мощность.

Схема однотактного УНЧ на транзисторе

Самый простой усилитель, построенный по схеме с общим эмиттером, работает в классе «А». В схеме используется полупроводниковый элемент со структурой n-p-n. В коллекторной цепи установлено сопротивление R3, ограничивающее протекающий ток. Коллекторная цепь соединяется с положительным проводом питания, а эмиттерная - с отрицательным. В случае использования полупроводниковых транзисторов со структурой p-n-p схема будет точно такой же, вот только потребуется поменять полярность.

С помощью разделительного конденсатора С1 удается отделить переменный входной сигнал от источника постоянного тока. При этом конденсатор не является преградой для протекания переменного тока по пути база-эмиттер. Внутреннее сопротивление перехода эмиттер-база вместе с резисторами R1 и R2 представляют собой простейший делитель напряжения питания. Обычно резистор R2 имеет сопротивление 1-1,5 кОм - наиболее типичные значения для таких схем. При этом напряжение питания делится ровно пополам. И если запитать схему напряжением 20 Вольт, то можно увидеть, что значение коэффициента усиления по току h21 составит 150. Нужно отметить, что усилители КВ на транзисторах выполняются по аналогичным схемам, только работают немного иначе.

При этом напряжение эмиттера равно 9 В и падение на участке цепи «Э-Б» 0,7 В (что характерно для транзисторов на кристаллах кремния). Если рассмотреть усилитель на германиевых транзисторах, то в этом случае падение напряжения на участке «Э-Б» будет равно 0,3 В. Ток в цепи коллектора будет равен тому, который протекает в эмиттере. Вычислить можно, разделив напряжение эмиттера на сопротивление R2 - 9В/1 кОм=9 мА. Для вычисления значения тока базы необходимо 9 мА разделить на коэффициент усиления h21 - 9мА/150=60 мкА. В конструкциях УНЧ обычно используются биполярные транзисторы. Принцип работы у него отличается от полевых.

На резисторе R1 теперь можно вычислить значение падения - это разница между напряжениями базы и питания. При этом напряжение базы можно узнать по формуле - сумма характеристик эмиттера и перехода «Э-Б». При питании от источника 20 Вольт: 20 - 9,7 = 10,3. Отсюда можно вычислить и значение сопротивления R1=10,3В/60 мкА=172 кОм. В схеме присутствует емкость С2, необходимая для реализации цепи, по которой сможет проходить переменная составляющая эмиттерного тока.

Если не устанавливать конденсатор С2, переменная составляющая будет очень сильно ограничиваться. Из-за этого такой усилитель звука на транзисторах будет обладать очень низким коэффициентом усиления по току h21. Нужно обратить внимание на то, что в вышеизложенных расчетах принимались равными токи базы и коллектора. Причем за ток базы брался тот, который втекает в цепь от эмиттера. Возникает он только при условии подачи на вывод базы транзистора напряжения смещения.

Но нужно учитывать, что по цепи базы абсолютно всегда, независимо от наличия смещения, обязательно протекает ток утечки коллектора. В схемах с общим эмиттером ток утечки усиливается не менее чем в 150 раз. Но обычно это значение учитывается только при расчете усилителей на германиевых транзисторах. В случае использования кремниевых, у которых ток цепи «К-Б» очень мал, этим значением просто пренебрегают.

Усилители на МДП-транзисторах

Усилитель на полевых транзисторах, представленный на схеме, имеет множество аналогов. В том числе и с использованием биполярных транзисторов. Поэтому можно рассмотреть в качестве аналогичного примера конструкцию усилителя звука, собранную по схеме с общим эмиттером. На фото представлена схема, выполненная по схеме с общим истоком. На входных и выходных цепях собраны R-C-связи, чтобы устройство работало в режиме усилителя класса «А».

Переменный ток от источника сигнала отделяется от постоянного напряжения питания конденсатором С1. Обязательно усилитель на полевых транзисторах должен обладать потенциалом затвора, который будет ниже аналогичной характеристики истока. На представленной схеме затвор соединен с общим проводом посредством резистора R1. Его сопротивление очень большое - обычно применяют в конструкциях резисторы 100-1000 кОм. Такое большое сопротивление выбирается для того, чтобы не шунтировался сигнал на входе.

Это сопротивление почти не пропускает электрический ток, вследствие чего у затвора потенциал (в случае отсутствия сигнала на входе) такой же, как у земли. На истоке же потенциал оказывается выше, чем у земли, только благодаря падению напряжения на сопротивлении R2. Отсюда ясно, что у затвора потенциал ниже, чем у истока. А именно это и требуется для нормального функционирования транзистора. Нужно обратить внимание на то, что С2 и R3 в этой схеме усилителя имеют такое же предназначение, как и в рассмотренной выше конструкции. А входной сигнал сдвинут относительно выходного на 180 градусов.

УНЧ с трансформатором на выходе

Можно изготовить такой усилитель своими руками для домашнего использования. Выполняется он по схеме, работающей в классе «А». Конструкция такая же, как и рассмотренные выше, - с общим эмиттером. Одна особенность - необходимо использовать трансформатор для согласования. Это является недостатком подобного усилителя звука на транзисторах.

Коллекторная цепь транзистора нагружается первичной обмоткой, которая развивает выходной сигнал, передаваемый через вторичную на динамики. На резисторах R1 и R3 собран делитель напряжения, который позволяет выбрать рабочую точку транзистора. С помощью этой цепочки обеспечивается подача напряжения смещения в базу. Все остальные компоненты имеют такое же назначение, как и у рассмотренных выше схем.

Двухтактный усилитель звука

Нельзя сказать, что это простой усилитель на транзисторах, так как его работа немного сложнее, чем у рассмотренных ранее. В двухтактных УНЧ входной сигнал расщепляется на две полуволны, различные по фазе. И каждая из этих полуволн усиливается своим каскадом, выполненном на транзисторе. После того, как произошло усиление каждой полуволны, оба сигнала соединяются и поступают на динамики. Такие сложные преобразования способны вызвать искажения сигнала, так как динамические и частотные свойства двух, даже одинаковых по типу, транзисторов будут отличны.

В результате на выходе усилителя существенно снижается качество звучания. При работе двухтактного усилителя в классе «А» не получается качественно воспроизвести сложный сигнал. Причина - повышенный ток протекает по плечам усилителя постоянно, полуволны несимметричные, возникают фазовые искажения. Звук становится менее разборчивым, а при нагреве искажения сигнала еще больше усиливаются, особенно на низких и сверхнизких частотах.

Бестрансформаторные УНЧ

Усилитель НЧ на транзисторе, выполненный с использованием трансформатора, невзирая на то, что конструкция может иметь малые габариты, все равно несовершенен. Трансформаторы все равно тяжелые и громоздкие, поэтому лучше от них избавиться. Намного эффективнее оказывается схема, выполненная на комплементарных полупроводниковых элементах с различными типами проводимости. Большая часть современных УНЧ выполняется именно по таким схемам и работают в классе «В».

Два мощных транзистора, используемых в конструкции, работают по схеме эмиттерного повторителя (общий коллектор). При этом напряжение входа передается на выход без потерь и усиления. Если на входе нет сигнала, то транзисторы на грани включения, но все равно еще отключены. При подаче гармонического сигнала на вход происходит открывание положительной полуволной первого транзистора, а второй в это время находится в режиме отсечки.

Следовательно, через нагрузку способны пройти только положительные полуволны. Но отрицательные открывают второй транзистор и полностью запирают первый. При этом в нагрузке оказываются только отрицательные полуволны. В результате усиленный по мощности сигнал оказывается на выходе устройства. Подобная схема усилителя на транзисторах достаточно эффективная и способна обеспечить стабильную работу, качественное воспроизведение звука.

Схема УНЧ на одном транзисторе

Изучив все вышеописанные особенности, можно собрать усилитель своими руками на простой элементной базе. Транзистор можно использовать отечественный КТ315 или любой его зарубежный аналог - например ВС107. В качестве нагрузки нужно использовать наушники, сопротивление которых 2000-3000 Ом. На базу транзистора необходимо подать напряжение смещения через резистор сопротивлением 1 Мом и конденсатор развязки 10 мкФ. Питание схемы можно осуществить от источника напряжением 4,5-9 Вольт, ток - 0,3-0,5 А.

Если сопротивление R1 не подключить, то в базе и коллекторе не будет тока. Но при подключении напряжение достигает уровня в 0,7 В и позволяет протекать току около 4 мкА. При этом по току коэффициент усиления окажется около 250. Отсюда можно сделать простой расчет усилителя на транзисторах и узнать ток коллектора - он оказывается равен 1 мА. Собрав эту схему усилителя на транзисторе, можно провести ее проверку. К выходу подключите нагрузку - наушники.

Коснитесь входа усилителя пальцем - должен появиться характерный шум. Если его нет, то, скорее всего, конструкция собрана неправильно. Перепроверьте все соединения и номиналы элементов. Чтобы нагляднее была демонстрация, подключите к входу УНЧ источник звука - выход от плеера или телефона. Прослушайте музыку и оцените качество звучания.

Высокочастотные усилители мощности строят по схеме, содержащей каскады усиления, фильтр и цепи автоматики. Усилители характеризуются номинальной выходной и минимальной входной мощностями, диапазо­ном рабочих частот, КПД, чувствительностью к измене­нию нагрузки, уровнем нежелательных колебаний, устой­чивостью и надежностью работы, массой, габаритами, стоимостью.

Получаемые в настоящее время максимальные зна­чения выходной мощности на частотах до 100 МГц со­ставляют несколько десятков киловатт. При существен­но меньшей мощности, отдаваемой отдельными транзи­сторами (не более 200 Вт), эти значения достигаются специальными устройствами сложения сигналов, среди которых наиболее распространены делители и суммато­ры мощности . Существует множество разновидно­стей этих устройств . По величине фазово­го сдвига их делят на синфазные (с фазовым сдвигом суммируемых сигналов ф=0), противофазные (ф = я), квадратурные (ф = п/2) и др.; по виду исполнения - с распределенными и сосредоточенными элементами; по способу соединения с нагрузкой - на последователь­ные и параллельные и т. д.

Одним из основных требований, предъявляемых к устройствам сложения сигналов, является обеспечение наименьшего взаимного влияния отдельных модулей, мощности которых суммируются (так называемая раз­вязка модулей). Посмотрим, как выполняется это требование в простом синфазном сумматоре на транс­форматорах. Схема такого сумматора на трансформа­торах Т4 - Т6 вместе с делителем (на трансформато­рах Т1 - ТЗ) и суммируемыми каскадами (на транзи­сторах VT 1 и VT 2) без цепей смещения и питания показана на рис. 5.4. Трансформаторы Т4 - Т6 имеют коэффициенты трансформации соответственно 1,1 и 1/V2 (здесь r н - сопротивление нагрузки, R Б - бал­ластный резистор, сопротивление которого равно 2г н). При нормальных условиях работы, когда напряжения на коллекторах синфазны и их амплитуды равны, ток в балластном резисторе отсутствует. Трансформатор Т6 приводит к двум последовательно соединенным об­моткам трансформаторов Т4 и Т5 сопротивление 2r н, так что на коллекторе каждого транзистора сопротив­ление нагрузки составляет r н. Представим теперь, что коллектор транзистора VT 2 оказался замкнутым с его эмиттером. В таком случае вторичная обмотка транс­форматора Т5 представляет собой крайне малое сопротивление для ВЧ сигнала, так что сопротивление 2r н, приведенное к первичной обмотке трансформатора Т6, полностью приводится ко вторичной обмотке трансфор­матора Т4, а следовательно, и к коллектору транзисто­ра VT 1. Но параллельно VT 1 при этом оказывается подключен балластный резистор такого же сопротивле­ния, т. е. несмотря на изменение режима работы, во втором каскаде условия работы первого каскада не изменились - он по-прежнему работает на нагрузочное сопротивление r н. Но, поскольку половина его мощно­сти теперь поступает в балластный резистор, в нагруз­ке остается только половинная мощность одного каска­да, что в 4 раза меньше мощности, отдаваемой усили­телем в нагрузку до изменения нормальных условий работы. Чем большее число каскадов используется для получения выходной мощности, тем меньше сказывает­ся изменение условий работы в том или другом каскаде на общей мощности в нагрузке. Например, в усилите­ле с выходной мощностью 4,5 кВт, получаемой в ре­зультате суммирования мощностей 32 транзисторных каскадов, при отказе одного каскада выходная мощ­ность снижалась всего лишь до 4,3 кВт. Таким образом, очень малое взаимное влияние каскадов в устрой­стве сложения мощностей позволяет, максимально используя усилительные свойства каждого транзистора, обеспечить высокую надежность его работы, а следовательно, безотказную работу усилителя мощности в целом.

Рис. 5.4. Схема усилителя со сло­жением мощности на трансформато­рах

Суммирующее устройство выбирается исходя из ха-рактера и условий работы усилителя, поскольку при решении главной задачи - сложения сигналов - можно, используя те или иные особенности конкретного вида сумматора, улучшить другие характеристики уси­лителя, например ослабить некоторые виды нежела­тельных колебаний или уменьшить чувствительность к рассогласованию нагрузки.

Удовлетворительная развязка модулей, а также ма­лый уровень нежелательных колебаний третьего по­рядка, низкая чувствительность к изменению нагрузки и слабое влияние суммируемых каскадов на предвари­тельный усилитель получаются при использовании квадратурных сумматоров мощности. Противофазные сумматоры при удовлетворительной развязке подавля­ют нежелательные колебания второго порядка. Чередо­вание квадратурных и противофазных устройств сло­жения, например, когда два модуля складываются противофазно, а объединенные таким образом пары мо­дулей - квадратурно, в значительной степени сочетает достоинства обоих видов суммирующих устройств. По этим причинам квадратурные и противофазные сумма­торы и делители мощности, выполненные, например, на длинных коаксиальных или полосковых линиях, трансформаторах, получили широкое распространение в усилителях с выходной мощностью от 10 Вт и выше.

Следующий параметр усилителя - минимальная входная мощность - определяется допустимым уров­нем шума и устойчивостью работы и в этой связи за­висит от схемы, режима работы и конструкции усили-теля. Влияние шума на чувствительность усилителя объ­ясняется следующим. Известно, что приводимая к входу усилителя мощность шума определяется по формуле Р ш = = 4kTF ш Дf , где k - постоянная Больцмана; Т - абсолютная температура; F m - коэффициент шума;

Af - ширина полосы частот, в которой определяется

Р ш. Но при заданном отношении сигнал/шум К ш на выходе усилителя мощность входного сигнала Р с не должна быть меньше, чем Р Ш К Ш . Отсюда следует, что минимально допустимое значение входного сигнала, характеризующее таким образом чувствительность уси­лителя, определяется как Р С тш=4kTF щ K ш Дf. При за­данных К ш и Af все входящие в это выражение вели­чины известны, за исключением F JI . С помощью обще­известных соотношений нетрудно показать, что в не­линейном усилителе, каким в общем случае является усилитель мощности, при достаточно большом коэффициенте усиления по мощности первого каскада

где F ш1 - коэффициент шума первого каскада; у т+1 - отношение коэффициентов усиления мощности шума к коэффициенту усиления мощности сигнала в (m+1)-м каскаде усилителя, содержащего п каскадов. В зави­симости от режима работы каскада это отношение оп­ределяется по формуле

входящие в эту формулу коэффициенты находятся по таблицам . Например, для четырехкаскадного уси­лителя мощностью 50 Вт при F m 1 = 6, Y 2 =1,6, Yз=1,7, Y 4 =1,9 имеем F ш =31, что при K ш =120 дБ, Дf=20 кГц и 4kT = 1,62*10- 20 Вт/Гц дает Р Ш =1*10 -14 Вт и P cmin =10 МВт, т. е. при оговоренных условиях мини­мально допустимое значение входного сигнала характе­ризуется напряжением около 1 В на сопротивлении 75 Ом. Заметим, что указанное определение чувстви­тельности справедливо, если на входе усилителя дей­ствует сигнал, в котором мощность шума, по крайней мере, на порядок ниже, чем приведенная к входу мощ­ность собственного шума усилителя Р ш, так как иначе не будет получено приемлемое отношение сигнал/шум Kш. Если эта разница в величинах шума на входе не соблюдается, то для обеспечения требуемого значения K ш между источниками сигнала и усилителем должна быть установлена селективная цепь, приводящая к не­обходимому подавлению шума при заданной расстрой­ке от рабочей частоты.

Рис. 5.7. Схема усилителя с выходной мощностью 15 Вт для диапазона частот 2 - 30 МГц

Таблица 5.1

Рис. 5.8. Схема усилителя с выходной мощностью 80 Вт для диапазона частот 2 - 30 МГц

Таблица 5.2

Окончание табл. 5.2

Ширина полосы частот при больших уровнях мощ­ности в значительной степени определяется межкаскад­ными согласующими цепями, в качестве которых ис­пользуются широкополосные трансформаторы специ­альной конструкции, а также цепями коррекции амплитудно-частотной характеристики и цепями обрат­ной связи. Так, на рис. 5.7 и 5.8 показаны схемы уси­лителей с выходной мощностью 15 и 80 Вт для радио­передатчиков мощностью 10 и 50 Вт, работающих в диапазоне 2 - 30 МГц. Их основные характеристики приведены в табл. 5.1, а данные используемых транс­форматоров и дросселей - в табл. 5.2. Особенности этих усилителей - относительно низкий уровень неже­лательных колебаний и сравнительно малая неравно­мерность амплитудно-частотной характеристики. Эти параметры, например, в усилителе на 80 Вт достига­ются применением частотно-зависимой отрицательной обратной связи в выходном каскаде (со вторичной об­мотки трансформатора ТЗ через резисторы R 11 и R 12 на базы транзисторов VT 3 и VT 4) и в предоконечном каскаде (с помощью резисторов R 4 - R 7), а также корректирующими цепями C 2 R 2, C 3 R 3 и R 1 L 1 C 1.

Уменьшить неравномерность усиления в полосе ча­стот можно также, используя цепи коррекции на входе оконечного каскада (конденсатор С7 и индуктивности проводников АБ и ВГ, представляющих собой полоски фольги длиной 30 и шириной 4 мм) и на выходе уси­лителя (индуктивность трансформатора Т4 и конден­сатор С13). Широкополосные трансформаторы, приме­ненные в этих усилителях, способны обеспечить удов­летворительное согласование не только в диапазоне 2 - 30 МГц, но и на более высоких частотах. Однако на частотах выше 30 МГц лучшие характеристики полу­чаются с трансформаторами на полосковых линиях без ферритовых материалов. Такие трансформаторы, например, были использованы в усилителе с выходной мощностью 80 Вт в диапазоне 30 - 80 МГц (табл. 5.3), схема которого показана на рис. 5.9. Особенность это­го усилителя - применение одновременно биполярных и полевых транзисторов. Такое сочетание позволило улучшить шумовые характеристики по отношению к использованию только биполярных транзисторов, а в сравнении с применением только полевых приборов улучшить энергетические характеристики усилителя .

Таблица 5.3

Рис. 5.9 Схема усилителя с выходной мощностью 80 Вт для диапазона частот 30---80 МГц

Важным параметром ВЧ усилителя является его КПД. Этот параметр зависит от назначения усилителя, условий его работы и, как следствие, от схемы пост­роения и используемых полупроводниковых приборов. Он составляет 40 - 90 % для усилителей сигнала с по­стоянной или коммутируемой амплитудой (например, при частотной и фазовой модуляции, частотной и амп­литудной телеграфии) и 30 - 60 % для линейных уси­лителей сигналов с амплитудной модуляцией. Более низкие из указанных значений объясняются использо­ванием энергетически невыгодных, но обеспечивающих линейное усиление недонапряженных режимов во всех каскадах, а также режима А в предварительных, а ча­сто и в предоконечном каскаде усилителя. Более высо­кие значения характерны для ключевого режима уси­ления сигналов с постоянной или коммутируемой амп­литудой (80 - 90 %) или для амплитудно-модулирован-ных сигналов (50 - 60 %) при использовании метода раздельного усиления составляющих сигнала . На­пример, КПД не ниже 80 % был получен в широкопо­лосном усилителе на 4,5 кВт с выходным каскадом на 32 транзисторах, построенном с учетом общих реко­мендаций для ключевого режима и при приня­тии мер по устранению сквозных токов . Однако, несмотря на очевидные энергетические преимущества ключевого режима работы, он еще сравнительно редко используется в ВЧ усилителях. Это объясняется рядом особенностей, к которым, например, относятся критич­ность к изменению нагрузки, высокий уровень нежелательных колебаний, большая вероятность превышения предельно допустимых напряжений транзистора и сложность регулировки при получении необходимых фазочастотных характеристик, стабильность которых должна обеспечиваться в условиях изменяющейся на­грузки, напряжения питания и температуры окружаю­щей среды. Кроме того, для реализации ключевого ре­жима на высоких частотах необходимы транзисторы с крайне малой длительностью переходных процессов при включении и выключении.

Перспективным направлением повышения энергети­ческих характеристик усилителей амплитудно-модули-рованного сигнала является квантование сигнала по уровню с раздельным усилением дискретных состав­ляющих и последующим их суммированием с учетом фазовых сдвигов .

В повышении эффективности работы усилителей важную роль играет качество согласования с нагрузкой с учетом возможности ее изменения. В настоящее вре­мя этот вопрос просто ив то же время наиболее ре­зультативно решается применением ферритовых венти­лей и циркуляторов. Однако так обстоит дело на срав­нительно высоких частотах, по крайней мере, выше 80 МГц. С понижением частоты эффективность исполь­зования ферритовых развязывающих устройств резко падает. В этой связи представляют интерес изучение и последующее промышленное освоение обладающих свойствами циркуляторов полупроводниковых невзаим­ных устройств , принципиально допускающих рабо­ту и на низких частотах. Если применение вентилей или циркуляторов невозможно, удовлетворительные ре­зультаты получаются при сочетании обычных согла­сующих устройств с автоматическим управлением ре­жимом работы усилителя. Так, увеличивая напряже­ние питания с ростом сопротивления нагрузки (при неизменном или слегка уменьшенном возбуждении) и снижая его с уменьшением сопротивления нагрузки при увеличении возбуждения, можно получить не только постоянную выходную мощность, но и сохранить в ус­ловиях изменяющейся нагрузки то высокое значение КПД, которое было получено в номинальном режиме. Возможности такого способа стабилизации выходной мощности, однако, ограничены предельно допустимыми токами и напряжениями используемого транзистора, а также техническими возможностями согласования ма­лых сопротивлений. По этим причинам реализуемая в настоящее время область нагрузочных сопротивлений, в которой таким путем еще можно добиться сравни­тельно стабильной выходной мощности, ограничена, как показали испытания усилителя с выходной мощ­ностью 4,5 кВт, значением КСВН, не превышающим 3.

Эффект малой чувствительности к рассогласованию нагрузки можно получить и при построении усилителя по схеме сложения мощностей с использованием квад­ратурных сумматоров и делителей мощности . При соответствующем напряжении возбуждения такого уси­лителя можно добиться, несмотря на изменение режи­ма работы каждого из суммируемых каскадов, незна­чительного изменения общего тока потребления и сум­марной выходной мощности. При испытаниях таких усилителей было отмечено, что изменение выходной мощности при рассогласовании нагрузки получается таким же, как и в линейных цепях, т. е. описывается выражением, близким к Р/Р н =4р/(1+р) 2 , где Р н и Р - мощности в номинальной и рассогласованной на­грузке, ар - КСВН, характеризующий степень рассо­гласования. Такое изменение в среднем, как показали сравнительные испытания, примерно вдвое меньше, чем у усилителя, построенного, например, по двухтакт­ной схеме.

Существуют и другие способы уменьшения чувст­вительности усилителя к рассогласованию нагрузки, однако все они в той или иной степени уступают рас­смотренным.

К числу основных параметров усилителя в послед­нее время стали относить уровень нежелательных ко­лебаний, возникающих в процессе усиления полезного сигнала. Такие колебания появляются в усилителе мощности вследствие нелинейных процессов под влия­нием полезного сигнала f и помех, поступающих из тракта формирования сигнала (f ф), источника пита­ния (f п) и антенны радиопередатчика (f а). Посторон­ние колебания (помехи) из тракта формирования сиг­нала приводят к нежелательным излучениям радиопере­дающего устройства не только на частотах этих коле­баний fф, но и на частотах, образующихся под их влия­нием комбинационных колебаний mf ± nf ф . Уровень та­ких излучений определяется относительным уровнем нежелательных колебаний на выходе тракта формиро­вания, его изменением (преобразованием) в усилителе мощности, а также фильтрующими и излучающими свойствами следующих за усилителем узлов радиопе­редающего устройства. Изменение отношения помеха/ сигнал в усилителе (K у) определяется схемой вклю­чения транзистора, режимом работы каскадов, значе­нием и частотой полезного сигнала и помехи.

Наибольшее изменение отношения помеха/сигнал наблюдается в усилителе с ОЭ, а также при малом вы­ходном сопротивлении источника сигнала r г в усили­теле с ОБ и при малом сопротивлении нагрузки r н в усилителе с ОК. С увеличением r г в усилителе с ОБ и r н в усилителе с О"К K у ->1. При работе усилителя в режимах А и В с любым включением транзистора относительный уровень помехи не изменяется; смеще­ние режима работы в сторону режима С приводит к росту, а в сторону режима АВ, наоборот, к уменьше­нию относительного уровня помехи; при этом рост бо­лее заметен, чем уменьшение. Повышение напряжен­ности режима уменьшает относительный уровень поме­хи. Чем больше значение полезного сигнала, тем при одном и том же режиме работы больше изменяется от­ношение помеха/сигнал. С ростом частоты сигнала и помехи изменение отношения помеха/сигнал уменьша­ется.

Возникающие под действием помехи комбинацион­ные колебания особенно опасны при работе усилителя в режиме С, где их уровень на выходе усилителя со­измерим с уровнем помехи. С изменением режима ра­боты от С к А уровень комбинационных колебаний вто­рого порядка (f±fф) монотонно убывает, а третьего (2f±fф) проходит через 0 в режиме В и по достиже­нии минимума в области отрицательных значений, сви­детельствующей об изменении фазы колебаний на про­тивоположную, при приближении к режиму А стремит­ся к 0.

При прочих равных условиях наибольшим подавле­нием комбинационных колебаний отличается усилитель с ОК, а затем усилители с ОБ и ОЭ. В многокаскад­ном усилителе, в отличие от однокаскадного, помехой для каждого следующего каскада, начиная со второго, являются не только усиленные нежелательные колеба­ния тракта формирования, но и комбинационные, а также гармонические колебания предыдущих каскадов. Осо­бенно велико влияние второй гармоники; она увеличивает уровни комбинационных колебаний второго и третьего порядков и уменьшает отношения помеха/сигнал. Это в основном проявляется в режиме С и фактически отсут­ствует в А. Под ее действием линейный режим работы (K у =1) смещается из режима В в С. Эти изменения прямо противоположны, если фазу второй гармоники как-то искусственно изменить на л.

Малый уровень комбинационных колебаний, незна­чительное ухудшение отношения помеха/сигнал и одно­временно приемлемые энергетические характеристики характерны для усилителя, предварительные каскады которого работают в режимах А - В, а выходной - в В - С. При включении транзисторов по схеме ОК ре­жимы В - С можно использовать и в предварительных каскадах, но в выходном каскаде включение по схеме ОК неприемлемо из-за высокой восприимчивости уси­лителя к сигналам посторонних радиопередатчиков. Наилучшим для выходного каскада является включе­ние прибора по схеме ОБ или ОЭ. При этом ухудшение отношения помеха/сигнал в усилителе при малом уровне комбинационных колебаний может составить максимум 3 дБ. Но при неграмотном проектировании усилителя это значение может возрасти до 20 дБ, а наибольший уровень нежелательных колебаний будет не только на частоте по­мехи, но и на частотах, обусловленных этой помехой ком­бинационных колебаний.

При расстройке по частоте между полезным сигна­лом и помехой наиболее эффективно подавляются по­мехи в усилителях с фильтрами. Подавление реализу­ется как при электронно-коммутируемых фильтрах, так и путем построения усилителя на основе мощного авто­генератора, управляемого с помощью системы фазовой автоподстройки частоты. В последнем случае удается получать ослабления нежелательных составляющих - до 70 - 80 дБ, начиная уже с 5-процентной отстройки их час­тоты от частоты полезного сигнала .

Существующие в настоящее время транзисторы в недонапряженном режиме работы каскада позволяют получить уровень интермодуляционных колебаний третьего порядка - (15 - 30) дБ по отношению к вы­звавшей их помехе при включении по схеме ОЭ, при­мерно на 15 дБ меньше при включении по схеме ОБ и, наоборот, на 15 дБ больше при включении по схеме ОК . Дополнительное подавление около 15 - 20 дБ мож­но получить, используя квадратурное суммирование сигналов модулей в выходном каскаде и еще, как минимум, 15 дБ, применяя на выходе усилителя ферри-товый вентиль или циркулятор .

Наибольший уровень нежелательных колебаний на­блюдается на гармониках полезного сигнала. В одно-каскадном усилителе без принятия каких-либо мер по их подавлению этот уровень для второй и третьей гар­моник составляет обычно - (15 - 20) дБ. Включением каскадов по схеме сложения мощностей с применением квадратурных и противофазных сумматоров и делите­лей его удается снизить до - (30 - 40) дБ. Если за уси­лителем устанавливается блок фильтров, то этот уро­вень уменьшается еще на величину затухания соответ­ствующего фильтра в полосе задержания.

С помощью фильтров можно добиться высокого уровня подавления гармонических составляющих. Од­нако следует подчеркнуть, что ослабить гармоник;! до уровня ниже - 120 дБ можно только при очень тща­тельном экранировании ВЧ каскадов и устранении в тракте после усилителя мощности различных кон­тактных соединений, в том числе и ВЧ разъемов, в ко­торых могут образоваться гармонические колебания с тем же уровнем.

Как видно, существующие технические решения обеспечивают высокое подавление нежелательных ко­лебаний. Однако в ряде случаев оно все же оказыва­ется недостаточным для нормальной работы аппарату­ры. Так, при сближении расположенных на подвижных средствах приемопередатчиков или при работе в соста­ве радиокомплексов, где самая разнообразная аппара­тура сосредоточена и должна функционировать в усло­виях крайне ограниченного пространства, радиоприемники нередко не могут работать со своими корреспон­дентами, как только включается расположенный побли­зости радиопередатчик другой линии связи. Такая си­туация возникает вследствие воздействия на приемни­ки некоторых нежелательных излучений радиопередат­чика. К ним в первую очередь относятся шумы. Не­смотря на малый уровень, именно они пролетавляют

наибольшую опасность в указанных условиях, так как, обладая непрерывным спектром и слабо меняющейся с расстройкой спектральной плотностью, могут, если не принять необходимых мер, практически полностью парализовать работу расположенных рядом приемни­ков .

Большую опасность в рассматриваемой ситуации представляют помехи из тракта формирования сигнала передатчика и образованные ими в усилителе мощно­сти комбинационные колебания, которые, как и шумы, занимают обширную область частот и не поддаются существенной минимизации при построении усилителя по рассмотренному ранее принципу прямого покаскад­ного усиления мощности.