Содержание

Введение…………………………………………………………………………..3

1. Основные характеристики и параметры усилителей…………………..7
2. Теория и основные математические соотношения……………………..8
1. Электрическая и эквивалентная схема генераторов…………..……8
2. Динамические характеристики генератора………………………..12
3. Режим работы высокочастотного генератора…………………..……18
1. Ключевой режим работы высокочастотного генератора…………19
4. Выбор и обоснование принципиальной схемы генератора с внешним возбуждением……………………………………………………………22
5. Структурная схема генератора с внешним возбуждением……..……24
6. Схемы усилителей мощности……………………………………………26

Заключение………………………………………………………………………29

Список  использованной литературы…………………………………………30 
 
 
 
 
 
 
 

Введение

     Генератором с внешним возбуждением называется радиоэлектронное устройство, предназначенное для преобразования энергии постоянного тока в энергию электромагнитных колебаний высокой частоты, равной или кратной частоте входного воздействия. В том случае, когда частота выходного сигнала равна частоте входного воздействия, генератор с внешним возбуждением называется усилителем мощности. Если же частота выходного сигнала в целое число раз больше частоты входного – речь идет об умножителе частоты.

     Основное  требование, предъявляемое к генератору с внешним возбуждением (ГВВ), –  получение высокого коэффициента полезного  действия (КПД) при обеспечении заданной мощности в нагрузке. Это накладывает  определенные ограничения на выбор  режима работы генераторного прибора (ГП) и параметров согласующей цепи.

Благодаря присутствию высших гармоник в токе ГП при его работе в нелинейном режиме ГВВ можно использовать в  качестве умножителя частоты (УЧ). УЧ предназначены  для преобразования колебаний с  частотой в колебания кратной частоты n , где n – любое целое положительное число. Применение УЧ позволяет повысить стабильность частоты задающих генераторов, расширить диапазон рабочих частот или получить множество стабильных частот в синтезаторах частоты, увеличить индекс частотной (фазовой) модуляции, повысить устойчивость работы радиопередатчика. Согласующая цепь обеспечивает трансформацию в общем случае комплексного сопротивления нагрузки в чисто резистивное сопротивление в заданном диапазоне частот, причем имеющее такое значение, при котором обеспечиваются высокие энергетические показатели ГВВ.

ГВВ могут  выполнять разнообразные функции:

• Усиливать радиочастотные колебания
• Повышать их частоту в целое число раз
• Изменять амплитуду радиочастотного колебания по закону НЧ сообщения (амплитудные модуляторы)

Используемые  в передатчиках ГВВ возбуждаются, как правило, гармоническим током  или напряжением и должны создать  на нагрузке также гармоническое  напряжение.

Генератор с внешним возбуждением (ГВВ) относится  к  классу усилителей высокой частоты (ВЧ). В отличие от малосигнальных усилителей ВЧ, ГВВ имеет дело с большими уровнями сигналов, действующих на его входе и выходе, и работает как в линейном, так и в нелинейном режимах. В этой связи ГВВ принято характеризовать рядом энергетических показателей. К ним относятся выходная колебательная мощность Р_~, мощность, потребляемая от источника питания Р₀, мощность рассеяния по выходному электроду Р_рас, коэффициент полезного действия (КПД) по выходному электроду h₀, коэффициент усиления по мощности К_р и ряд других. Качество генератора во многом зависит от уровня достигнутого КПД и К_р при заданном уровне выходной мощности. Поэтому ГВВ можно рассматривать как устройство, осуществляющее преобразование энергии источника питания в ВЧ энергию с достаточно высоким КПД и управляемое внешним высокочастотным сигналом. Этим объясняется  название – генератор.

В настоящее  время разработано много инженерных методик расчета ГВВ на заданную колебательную мощность. Каждой из них присущ свой подход к расчету, но ни одна не претендует на абсолютную точность.

Целью данных указаний являются ознакомление студентов с инженерными подходами  к разработке ГВВ и изучение одной  из методик расчета. В процессе выполнения заданий студентам предлагается ответить на пять вопросов, затрагивающих  основные подходы к проектированию ГВВ, получить допуск к расчету и  далее рассчитать свой вариант ГВВ  с контролем некоторых промежуточных  данных.

В качестве базовой методики в заданиях используется методика расчета ГВВ, изложенная в и приведенная в методических указаниях. Для лучшего усвоения материала расчет осуществляется студентами самостоятельно без применения ЭВМ.

В диапазонах ДВ, СВ, КВ, УКВ, СВЧ широкое применение при создании ГВВ находят различные типы транзисторов и ламп. Верхняя частотная граница их применения достигает в настоящее время величины порядка 15 ГГц и имеет тенденцию к дальнейшему расширению. ГВВ, выполненные на лампах или транзисторах, имеют много общих признаков, так как решают задачу получения требуемой мощности ВЧ колебаний в нагрузке.

Вместе  с тем  ламповые и транзисторные ГВВ обладают рядом существенных отличий, о которых необходимо помнить при разработке. Причина этого кроется в различии физических процессов, протекающих в указанных типах активных элементов (АЭ). Такой АЭ, как лампа (триод, тетрод, пентод), имеет высокий уровень анодного питания, относительно малую величину крутизны проходных характеристик, большие уровни внутреннего и входного сопротивлений. Для получения от лампы ее номинальной мощности требуется высокоомная анодная нагрузка. В отличие от транзисторов проходные характеристики у ламп левые. Если максимальное напряжение на сетке остается меньшим или равным нулю:

е_{с макс} = Е_см + U_{m вх} < 0, (1.1)

то ток  управляющего электрода будет представлен  только током через емкость сетка-катод (С_ск), а активная составляющая входного сопротивления лампы, соответственно, равна бесконечности. При превышении е_{с макс} нуля появляется конечная величина активной составляющей входного сопротивления, но она остается достаточно высокой. По этой причине возбуждение лампового ГВВ проще реализовать от источника напряжения, что и выполняется на практике.

Транзисторы, в отличие от ламп, являются токовыми приборами. Они имеют большую  величину крутизны входной и проходной  характеристик, низковольтное напряжение источника коллекторного питания  и требуют низкоомную коллекторную нагрузку для отбора номинальной мощности. Проходная характеристика биполярных транзисторов – правая. Так как в области средних и высоких частот коэффициент усиления по току транзистора существенно ниже, чем в области низких частот, и базовый ток сравним по величине с коллекторным током, входное сопротивление транзистора в схеме с общим эмиттером получается низкоомным и его возбуждение удобнее реализовать от источника тока. 
 
 
 
 
 
 
 

     1 Основные характеристики и параметры усилителей

Основные  характеристики и параметры усилителей :

Чтобы правильно собрать и использовать усилитель, рассматривают 

следующие три категории исходных данных:

• условия питания:
• природа и величина источников питания;
• токи, потребляемые усилителем;
• основные параметры:
• тип и величина коэффициента усиления;
• частотные характеристики (частота среза, произведение коэффициента усиления на полосу, произведение частоты на мощность);
• входной и выходной импеданс;
• погрешности и возможные ухудшения характеристик:
• требуемый уровень точности коэффициента усиления;
• линейность характеристики;
• внутренние шумы;
• предельные величины напряжений и токов

2 Теория и основные математические соотношения

2.1. Электрическая и эквивалентная схема генераторов

Известно  большое число разнообразных  схем полупроводниковых и ламповых ВЧ генераторов с внешним возбуждением, две из них – с биполярным мощным транзистором и электровакуумной лампой – тетродом – приведены на рис. 2.

Рисунок 2.

В первой из схем в качестве выходной электрической  цепи используется фильтр нижних частот, во второй – параллельный колебательный  контур. Ввиду низкого напряжения питания (обычно не выше 26 В) нагрузка транзистора является сравнительно низкоомной, что позволяет при необходимости иметь широкую полосу пропускания генератора. Ламповый генератор, напротив, работает при сравнительно высокоомной нагрузке. При равной  колебательной мощности нагрузки лампового и транзисторного генератора отличаются, примерно, на два порядка.

 Обобщенная схема для всех типов генераторов состоит из трех каскадно включенных четырехполюсников: входной и выходной согласующих электрических цепей и электронного прибора – транзистора или лампы (рис 3. а).

Назначение  электрических цепей состоит  в согласовании входного и выходного  сопротивления электронного прибора  соответственно с источником возбуждения  и нагрузкой и в фильтрации высших гармоник сигнала. В свою очередь, электронный прибор может быть представлен  в виде генератора тока I_г и трех комплексных проводимостей:

• Внутренней проводимости генератора - Y_i
• Входной проводимости - Y_вх
• Проводимость связи - Y_св

Все названные  элементы являются нелинейными и  частотно-зависимыми. 

Рисунок 3.

Определение форм тока и напряжения на выходе электронного прибора. ВЧ генератор относится  к классу существенно нелинейных устройств со сложными диаграммами тока и напряжения на выходе электронного прибора. Два примера таких диаграмм приведены на рис. 4.

Рисунок 4.

Определение этих форм тока и напряжения проводится или экспериментальным путем, или  по специализированным программам, учитывающим  индивидуальные особенности каждого  типа электронного прибора, или приближенным аналитическим методом. Общий подход к решению данной задачи состоит в следующем. Составляется система из двух уравнений вида:

(1)

(1.1.)

Здесь есть функция, описывающая вольтамперные  характеристики электронного прибора  и учитывающая его нелинейные и инерционные свойства. В зависимости от способа управления электронным прибором по входу – напряжением или током – выбирается первая или вторая запись. Уравнение описывает процесс, протекающий в выходной цепи генератора, причем П есть линейный оператор, характеризующий эту цепь.

Уравнения могут быть развернуты в систему  нелинейных дифференциальных уравнений, решение которых позволяет определить функции тока i(t) и напряжения u(t) на выходе электронного прибора. Другой путь решения задачи состоит в применении метода гармонической линеаризации для решения нелинейной задачи. При анализе лампового генератора в рамках данного метода используется обычно кусочно-линейная аппроксимация вольтамперных характеристик электровакуумного прибора. Анализ транзисторного генератора на основе зарядовой модели полупроводникового прибора.

Для определения  энергетических параметров генератора периодических функции i(t) и u(t) разлагаются в ряд Фурье. При сложном виде этих функций, например, подобным на рис. 4. можно воспользоваться программой, приведенной на рисунке.

Баланс  мощностей в выходной цепи генератора. Выходная колебательная мощность и  КПД являются важнейшими параметрами  генератора – усилителя мощности высокочастотного сигнала. По величине КПД можно судить, в частности, насколько совершенен тот или  иной генератор. В этой связи следует  составить уравнение баланса  мощностей генератора и определить, как расходуется мощность, потребляемая генератором от источника питания.

Итак, пусть  определены периодические функции  i(t) и u(t), которые затем разложены в ряд Фурье. При наличии двух функций, разложенных по одним и тем же гармоническим составляющим, справедливо следующее уравнение, называемое формулой замкнутости для рядов Фурье:

(2)

Это есть уравнение баланса мощностей  в выходной цепи генератора, которое  представим в виде:

(3)

Где:

   - мощность, потребляемая генератором от источника постоянного тока, или коротко мощность потребления;

  - мощность, рассеиваемая в виде тепла в электронном приборе (на коллекторе транзистора или аноде лампы);

  – активная мощность взаимодействия по k-й гармонике сигнала

  - мощность k-й гармоники, передаваемой генератором в активную нагрузку.

2.2. Динамические характеристики генератора

Свойства  электронного прибора во многом определяются семейством статистических вольтамперных  характеристик. Например, в случае биполярного  транзистора таковыми являются зависимости  коллекторного тока от постоянного  коллекторного напряжения и тока базы; в случае лампы – зависимость анодного тока от постоянных напряжений на аноде и управляющей сетке.

Картина значительно усложняется при  определении свойств ВЧ генератора в динамическом режиме, т.е. при усилении высокочастотного сигнала. В этом случае при фиксированной частоте и  мощности входного сигнала свойства ВЧ генератора определяют три вида характеристик:

• Динамическая характеристика для мгновенных значений тока и напряжения на выходе электронного прибора;
• Динамическая характеристика для первых гармоник выходного тока и напряжения электронного прибора;
• Нагрузочная характеристика генератора, т.е. зависимость выходных электрических параметров (тока, напряжения, КПД, мощностей) от сопротивления нагрузки.

Рассмотрим сначала более подробно две первые характеристики.

Примеры зависимостей для мгновенного тока i(wt)  и напряжения  u(wt) на выходе электронного прибора в динамическом режиме. Из двух данных функций, исключив время, получим третью зависимости i=Ф(u), которая и является динамической характеристикой для мгновенных значений тока и напряжения. По расположению данной характеристикой для мгновенных значений тока и напряжения. По расположению данной характеристики на плоскости вольтамперных характеристик электронного прибора можно судить о режиме работы ВЧ генератора.

Четыре  примера таких характеристик  и соответствующие им формы коллекторного  тока для транзисторного генератора приведены на рис. 5.

Рисунок 5.

Разложив  в ряд Фурье функции i(wt) и u(wt), определим первые гармоники тока I₁ и напряжения U₁. Зависимость I₁=Ψ(U₁) называется динамической характеристикой по 1-й гармонике сигнала, пример которой приведен на рис. 6.

Рисунок 6.

С помощью  динамической характеристики определим  условия передачи максимальной мощности от генератора в нагрузку. Функция I₁= Ψ(U₁) является нелинейной, зависящей от частоты и мощности входного сигнала и напряжения питания. Зафиксируем данные параметры и запишем согласно для мощности, передаваемой генератором в нагрузку:

(4)

Найдем  частную производную функции  и приравняем ее 0 для определения  экстремума функции:

(5)

При = const получим:

  (6)

На графике  функции I₁= Ψ(U₁) условию передачи максимальной мощности от генератора в нагрузку соответствует точка «А» , режиму короткого замыкания – точка «В», холостого хода – точка «С». Раскроем физическое содержание выражения. Под отношением

(7)

Следует понимать модуль внутренней дифференциальной проводимости по 1-й гармонике сигнала  эквивалентного генератора. Ее равенство  проводимости нагрузки и есть условие  передачи максимальной мощности, которое  представим в виде:

  (7)

Где:

  - проводимости нагрузки, подключенной к выходу электронного прибора, на частоте 1-й гармоники сигнала.

Точку «А» на динамической характеристике можно найти графическим путем, как точку пересечения двух графиков согласно.

Данная  процедура может быть осуществлена по программе, приведенной на рис. 7. В 1-й столбец матрицы исходных данных DIN записываются значения 1-й гармоники напряжения U₁. Затем производится аппроксимация функции, представленной в табличной форме, с использованием сплайн – интерполяции (операторы cspline и interp). График динамической характеристики I₁= Ψ(U₁) с учетом произведенной интерполяции приведен на том же рисунке. Далее определяется проводимость нагрузки, как отношение I₁/U₁, и модуль внутренней дифференциальной проводимости по 1-й гармонике сигнала эквивалентного генератора тока и строятся графики двух данных функций. На рисунке они обозначены как YH(U₁) и YG (U₁).

Рис. 8

Точка пересечения данных графиков соответствует условию передачи максимальной мощности от генератора в нагрузку. С целью проверки данного условия строится график зависимости колебательной мощности P₁(U₁). Убеждаемся в том, что действительно точке пересечения графиков проводимости соответствует максимум колебательной мощности.

В заключении отмечу, что условие передачи максимальной мощности от генератора в нагрузку, есть записанное в более общей  форме то же условие при постоянных параметрах генератора: равенство внутреннего  сопротивления генератора R_i=R_H – сопротивлению нагрузки. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

3 Режим работы высокочастотного генератора

Различают четыре основных режима работы ВЧ генератора:

• Граничный (его называют критическим)
• Недонапряженный
• Перенапряженный
• Ключевой

Граничному  режиму соответствует получение  максимальной мощности 1-й гармоники  сигнала, что наглядно прослеживается на соответствующем графике нагрузочной  характеристики. Условию реализации данного режима соответствует выполнение равенства.

Динамическая  характеристика i=Ф(u) занимает при данном режиме значительную область на плоскости статических вольтамперных характеристик электронного прибора, не заходя, однако, в область резкого спада тока. Сопротивление нагрузки R₁/, соответствующее данному режиму, обозначим как R_1гр, а коэффициент использования электронного прибора по напряжению ξ = U₁/U₀ как ξ_гр.

Недонапряженному режиму соответствует условие R₁<R_1гр или ξ< ξ_гр. Динамическая характеристика i=Ф(u) занимает при данном режиме меньшую область на плоскости статических вольтамперных характеристик электронного прибора, чем при граничном. Генератор в недонапряженном режиме недоиспользуются по мощности, КПД снижается, а мощность рассеивания существенно возрастает. Однако, его использование в некоторых случаях необходимо с целью улучшения линейности амплитудной характеристики.

Перенапряженному  режиму соответствует условие R₁<R_1гр или ξ< ξ_гр. Динамическая характеристика i=Ф(u) занимает при данном режиме значительную область на плоскости статистических вольтамперных характеристик электронного прибора, заходя в область резкого спада тока. Как правило, в этом режиме наблюдается провал в импульсе тока. Физическая природа такого провала у разных электронных приборов различна. Так в электровакуумных приборах провал в импульсе анодного тока вызван резким увеличением тока управляющей сетки, а в транзисторах-открытием коллекторного перехода при заходе в область насыщения. В перенапряженном режиме удается стабилизировать параметры ВЧ генератора – их относительную независимость от сопротивления нагрузки, что наглядно прослеживается при рассмотрении нагрузочных характеристик.

3.1. Ключевой режим работы высокочастотного генератора

В диапазонах волн от сверхдлинного вплоть до метрового  помимо трех названных выше режимов  работы ВЧ генератора применяется также  ключевой режим. Особенностью ключевого режима является выполнение следующего условия для тока и напряжения ключевого элемента:

Где:

Т –  период колебаний

t₁ – момент переключения

u_H – малое остаточное напряжение на замкнутом ключе.

В качестве ключевого элемента используются транзисторы  и тиристоры (кремниевые управляемые  вентили). Динамическая характеристика i=Ф(u) занимает при данном режиме, обуславливает работу транзистора только в двух областях – насыщения (ключ открыт) и отсечки (ключ закрыт). Примеры диаграмм тока и напряжения в ключевом транзисторном генераторе на рисунках ниже.

Следствием  выполнения является малая мощность рассеиваемая в электронном ключе, поскольку согласно 8 имеем:

(9)

Рис. 9

При соответствующих  формах тока и напряжения в ключевом генераторе можно получить высокий КПД, достигающий 90-95% в диапазоне длинных волн. Одна из таких схем, называемая генератором инверторного типа. В схеме транзисторы – электронные ключи – включаются попеременно, замыкая электрическую цепь то на источник E_k, то на землю.

Рис. 10

Таким образом, малая мощность рассеивания  в электронном приборе и высокий  КПД – два значительных преимущества, реализуемые при ключевом режиме работы, особенно ощутимые при повышенной мощности ВЧ генератора. Реализация ключевого  режима работы возможна при времени  переключения t_пер << T, что ограничивает его использование с повышением частоты сигнала. При нарушении условия значительно возрастает мгновенная мощность p(t)=i(t) и (t) в момент переключения, что неблагоприятно сказывается на ключевом элементе.

Ключевые  генераторы гармонических колебаний  находят широкое применение в  радиопередатчиках диапазона длинных  и сверхдлинных волн мощностью до нескольких десятков кВт. 

4 Выбор и обоснование принципиальной схемы генератора с внешним возбуждением

     В цепях каскада ГВВ одновременно могут действовать напряжения и  протекать токи с существенно различными частотами:

• рабочая (несущая радиочастота) и ее гармоника
• постоянный ток, напряжение
• модулирующая (звуковая) частота
• напряжение и ток промышленной частоты

     Схема каскада строится таким образом, чтобы:

• существовали источники напряжений и токов нужных частот;
• необходимые напряжения были приложены к электродам активных приборов;
• существовали замкнутые цепи для всех токов т источника к «потребителю» и обратно к источнику;
• на нужных элементах ГВВ возникали падения от нужных составляющих токов.

     Цепи  с токами и напряжениями не должны мешать друг другу:  не создавать  короткие замыкания или разрывы  в цепях друг друга.

     Электронные лампы имеют заметную емкость  между управляющей сеткой и анодом, которая называется проходной. За счет проходной емкости происходит прямое прохождение энергии из входной  цепи в выходную и обратная реакция выходной цепи на входную. Проходная емкость влияет на работу ГВВ даже когда лампа заперта большим отрицательным напряжением смещения, снято анодное напряжение или выключен накал лампы. Наличие обратной связи входной и выходной цепи ГВВ через проходную емкость может привести к самовозбуждению ГВВ. Для ослабления влияния проходной емкости в ламповых ГВВ с экранирующей сеткой (тетроды и пентоды), а также построение ГВВ по схеме с общей сеткой.

     Несмотря  на то, что проходная емкость тетродов в несколько десятков раз меньше емкости таких же по мощности триодов, последние находят преимущественное применение в диапазоне частот до 30 МГц в каскадах мощностью до 500-1000 кВт. Это связано с тем, что  для таких мощностей  сложно изготовить тетрод из-за трудностей охлаждения экранирующей сетки.

     На  высоких частотах (до  1000 МГц и  выше) трудно обеспечить малое индуктивное  сопротивление вывода экранирующей сетки в тетродах, поэтому и  в этом случае преимущественное применение находят триоды.

     Вынужденное применение триодов при больших  мощностях или высоких частотах заставляет отказаться от включения  ламп по схеме с общим катодом, обладающей наибольшим коэффициентом  усиления по мощности и приводит к  необходимости включения ламп по схеме с общей сеткой для ослабления проходной емкости С_кс .