4.3 Нелинейные усилители мощности и

УМНОЖИТЕЛИ ЧАСТОТЫ

Широкое применение в различных радиоэлектронных устройствах (особенно в передатчиках) находят резонансные усилители мощности и умножители частоты. Транзисторный резонансный усилитель в линейном режиме имеет КПД менее 50%. Эффективное средство повышения энергетических показателей резонансного усилителя мощности - применение нелинейного режима работы его активного элемента (режим с отсечкой тока). Необходимым условием работы таких систем является сохранение формы усиливаемого сигнала с возможно меньшими нелинейными искажениями.

Нелинейный резонансный усилитель мощности

Оценим параметры электрической схемы нелинейного резонансного усилителя мощности на биполярном транзисторе (рис.4.5а).

Рис.4.5. Транзисторный резонансный усилитель:

а) - схема; б) - временные диаграммы токов и напряжений.

К входу усилителя последовательно подключены источники гармонического напряжения u_вx(t)=U_mвx cosω_pt и постоянного смещения U₀, а резонансный контур нагрузки настроен на частоту усиливаемого сигнала ω_p. Напряжение смещения U₀, выбирают таким образом, чтобы в отсутствие входного переменного входного сигнала выходной ток транзистора был равен нулю. В этом случае коллекторный ток транзистора имеет форму косинусных импульсов с отсечкой. Временные диаграммы импульсов коллекторного тока i_k(ωt)=i_k(t), тока первой гармоники i₁(t)=i₁(ωt)=I₁cosω_pt и выходного напряжения u_вых(ωt)=u_выx(t) показаны на рис.4.5.б.

Спектральный состав импульсов коллекторного тока содержит множество составляющих кратных частот, однако наибольшее значение имеет амплитуда первой гармоники. Это объясняется тем, что на резонансной частоте ω_p активное сопротивление параллельного контура максимально и на нем выделяется максимальное напряжение с частотой входного сигнала ω_p. Сопротивление параллельного контура на частотах 2ω_p, 3ω_p столь мало, что высшие гармонические составляющие практически не дают вклада в формирование выходного сигнала u_выx(t).

Используя формулу (4.10), запишем выражение для амплитуды выходного напряжения

U_mвыx=I₁R₀=S U_mвxγ₁R₀ (4.12)

где R₀– резонансное сопротивление параллельного контура;

γ₁– функция Берга для первой гармоники.

Умножители частоты.

Умножители частоты (УЧ) необходимы при разработке стабильных источников гармонических колебаний повышенной частоты. УЧ - это устройство, повышающее частоту входного сигнала в n раз, где n – целое число – коэффициент умножения.

Наличие в спектре коллекторного тока усилителя гармонических составляющих с частотами, кратными входной частоте, позволяет использовать нелинейный резонансный усилитель в качествеУЧ. Для этого достаточно в схеме резонансного усилителя (рис. 4.5,а) настроить колебательный контур на требуемую частоту. Известно, что при больших значениях n коэффициенты гармоник γ_n довольно малы. Поэтому выбирают такой угол отсечки θ, при котором соответствующий коэффициент гармоник максимален. Практически доказано, что оптимальный угол θ, дающий наибольшую амплитуду выходного напряжения в УЧ, примерно равен 180˚/n.

Принципы действия УЧ и нелинейного резонансного усилителя мощности в основном одинаковы и различия заключаются лишь в выборе угла отсечки тока. По аналогии с выражением (4.12) определим амплитуду выходного напряжения УЧ при кусочно-линейной аппроксимации характеристики транзистора

U_mn=I_nR_0n=SU_mвхγ_nR_0n (4.13)

где R_0n– резонансное сопротивление контура на n-й гармонике;

γ_n- функция Берга для n- й гармоники.