11.3. Нелинейные резонансные усилители и умножители частоты

В технике редиопередающих устройств широко применяются резонансные усилители мощности. Их отличительная черта — работа при больших амплитудах входных напряжений, что делает обязательным учет нелинейного вида вольт-амперных характеристик активных элементов (транзисторов или ламп).

Принцип работы нелинейного резонансного усилителя.

Рассмотрим транзисторный усилитель (рис. 11.6, а) с нагрузкой в виде параллельного колебательного контура. На вход усилителя подано напряжение колебательный контур настроен на частоту сигнала:

Предположим, что характеристика транзистора аппроксимирована отрезками прямых, и обратимся к рис. 11.6,б. Ток в цепи коллектора имеет форму косинусоидальных импульсов с отсечкой. Эти импульсы обладают сложным спектральным составом, однако ведущую роль в работе устройства играет лишь первая гармоника тока, частота которой совпадает с резопансной частотой контура; сопротивление колебательной системы на частотах и т. д. столь мало, что высшие гармоники практически не дают вклада в выходной сигнал.

Рис. 11.6. Принципиальная схема резонансного усилителя (а) и временные диаграммы его работы (б)

Первая гармоника коллекторного тока создает на выходе полезное напряжение с амплитудой

(11-24)

Аналогично, используя формулу (11.19), можно записать выражение амплитуды гармонического сигнала на выходе резонансного усилителя при степенной аппроксимации характеристики транзистора:

Колебательная характеристика.

Так принято называть зависимость — вытекающую из формулы (11.24) или (11.25). Естественное требование к колебательной характеристике — ее линейность, что особенно важно при усилении АМ-сигналов. Как видно, например, из выражения (11.24), колебательная характеристика в общем случае нелинейна, поскольку угол отсечки , а значит, и коэффициент Берга зависят от амплитуды возбуждающего напряжения . Исключение составляет случай, когдв положение рабочей точки совпадает с началом характеристики. При этом, как легко видеть, 90° независимо от .

Работа усилителя с углом отсечки 90° выгодна еще и потому, что в отсутствие высокочастотного сигнала (режим «молчания») постоянная составляющая коллекторного тока обращается в нуль. Данное обстоятельство благоприятно сказывается на КПД усилителя.

Важным параметром колебательной характеристики является ширина ее линейного учета, который определяет динамический диапазон усиливаемых сигналов. Естественная причина, ограничивающая рост колебательной характеристики, состоит в следующем: при некотором критическом значении амплитуды входного сигнала колебательное напряжение на контуре становится близким по значению к напряжению источника питания Дальнейший рост амплитуды напряжения на контуре становится невозможным, поскольку при этом в некоторые моменты времени мгновенное значение напряжения на коллекторе транзистора становится малым. Как следствие, нормально запертый коллекторный переход открывается и цепь коллектор — база — источник сигнала — источник питания резко шунтирует колебательную систему усилителя.

Если говорят, что усилитель работает в перенапряженном режиме. Этот режим непригоден для усиления АМ-сигналов. Однако, значительно снижая напряжение источника питания, резонансный усилитель можно перевести в перенапряженный режим, превратив его в ограничитель амплитуды квазигармонических колебаний — полезное устройство, ликвидирующее паразитную амплитудную модуляцию ЧМ- или ФМ-сигналов.

Энергетические соотношения в нелинейном резонансном усилителе.

Рассматриваемые здесь резонансные усилители — как правило, достаточно мощные устройства, и для них немаловажен высокий коэффициент полезного действия. Чтобы вычислить КПД, необходимо знать мощность, потребляемую от источника питания: и полезную активную мощность, передаваемую колебательному контуру: Рпоя

В мощных усилителях обычно стремятся максимально полно использовать источник питания, приближаясь к границе перенапряженного режима, т. е. итят Епит. Тогдв

(11.26)

Исследуя отношение легко убедиться, что оно максимально и равно двум при с ростом 9 это отношение уменьшается, составляя при 90°. Поэтому с точки зрения эффективности использования источника питания выгоден режим с малым углом отсечки, когда КПД усилителя приближается к единице. При этом электронный прибор большую часть времени находится в запертом состоянии и теплового рассеяния мощности на коллекторе (аноде) не происходит. Однако при этом резко снижается коэффициент и для получения заданной полезной мощности приходится существенно увеличивать амплитуду входного сигнала, что не всегдв возможно. Принимая во внимание требование линейности колебательной характеристики, на практике идут на некоторое снижение КПД и выбирают угол отсечки, близкий к 90°.

Резонансное умножение частоты.

Если в схеме резонансного усилителя, работающего с большой амплитудой входного сигнала, колебательная система будет настроена на частоту то — частоту одной из высших гармоник входного сигнала, то данное устройство может использоваться в качестве умножителя частоты.

Потребность в умножителях возникает, например, при создании источников гармонических колебаний с высокой стабильностью частоты, если непосредственное генерирование таких колебаний в заданном частотном диапазоне невозможно, однако в распоряжении имеется весьма стабильный низкочастотный генератор.

Расчеты умножителей частоты и нелинейных резонансных усилителей в принципе не отличаются. По аналогии с (11.24), амплитуде выходного сигнала умножителя при кусочнолинейной аппроксимации

(11.27)

Трудность создания резонансных умножителей частоты заключается в низких значениях при большой кратности умножения. Поэтому следует выбирать углы отсечки, максимизирующие соответствующие коэффициенты Берга. Чем выше скважность последовательности импульсов коллекторного тока, тем богаче их спектральный состав.

Отсюда следует, что, желая создать умножитель с высокой кратностью, следует выбирать малые углы отсечки. Анализ функций показывает, что существует оптимальный угол причем

(11.28)

Именно таким должен быть угол отсечки тока в умножителе частоты при фиксированном значении амплитуды возбуждающего напряжения.