Нелинейное усиление мощности

И умножение частоты

Широкое применение в различных радиоэлектронных устройствах (особенно в радиопередатчиках) находят резонансные усилители мощности и умножители частоты. Обычный резонансный усилитель работает в линейном режиме и поэтому имеет КПД менее 50%. Эффективное средство повышения энергетических показателей резонансного усилителя мощности – использование заведомо нелинейного режима работы его активного элемента (режим с отсечкой тока). Естественно, необходимым условием работы таких схем является сохранение формы усиливаемого сигала с возможно меньшими нелинейными искажениями.

Нелинейный резонансный усилитель мощности. Проведем анализ упрощенной электрической схемы нелинейного резонансного усилителя мощности на биполярном транзисторе (рис. 2.6), ко входу которого последовательно подключены источники гармонического напряжения u_вх(t)=U_mвхcosω_pt и постоянного напряжения смещения U_o, а резонансный контур нагрузки настроен на частоту усиливаемого сигнала ω_p.

Рис. 2.6. Транзисторный резонансный усилитель:

а – схема; б – временные диаграммы токов и напряжений

Положим, что коллекторный ток транзистора имеет форму косинусоидальных импульсов с отсечкой. Временные диаграммы импульсов коллекторного тока i_к(ωt)= i_к(t), тока первой гармоники i₁(t)=i₁(ωt)=I₁cosω_pt и выходного напряжения u_вых (ωt)=u_вых[(t) показаны на рис.2.6, б.

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

Используя формулу (2.16), запишем выражение для амплитуды выходного напряжения

U_mвых=I₁R_o=SU_mвхγ₁R_o, (2.18)

где R_o – резонансное сопротивление параллельного контура; γ₁ – функция Берга для первой гармоники.

Умножитель частоты. Необходимость в умножителях возникает при разработке высокостабильных источников гармонических колебаний повышенной частоты, когда непосредственное генерирование сигналов такого диапазона затруднительно. Умножитель частоты – это устройство, повышающее частоту входного сигнала в n раз, где n – целое число – коэффициент умножения.

Наличие в спектре коллекторного тока гармонических составляющих с частотами, кратными входной частоте, позволяет использовать нелинейный резонансный усилитель в качестве умножителя частоты. Для этого достаточно в схеме резонансного усилителя (рис 2.6, а) настроить колебательный контур на требуемую частоту. Известно, что при больших значениях n коэффициенты гармоник γ_n довольно малы, поэтому важно выбрать такой угол отсечки θ, при котором соответствующие коэффициенты гармоник максимальны. Практически доказано, что оптимальный угол отсечки, дающий наибольшую амплитуду выходного напряжения в умножителях частоты, примерно равен 180 º/ n.

Принципы действия умножителя частоты и нелинейного резонансного усилителя мощности в основном одинаковы и различия заключаются лишь в выборе угла отсечки тока. По аналогии с выражением (2.18) определим амплитуду выходного напряжения умножителя частоты при кусочно-линейной аппроксимации характеристики транзистора

U_mn=I_n R_on =SU_mвхγ_nR_on, (2.19)

где R_{on ---} резонансное сопротивление контура на n-й гармонике; γ_{n –} функция Берга для n-й гармоники.

Лекция №11.