ωk1,k 2,...kN = |
N |
|
|
|||
å ω i k i |
, |
(3.27) |
||||
порядок которых |
i=1 |
|
|
|||
|
|
|
|
|
||
N |
|
|
|
|
|
|
p = å |
|
k i |
|
. |
|
(3.28) |
|
|
|
||||
i=1 |
|
|
|
|
|
|
Целые числа k1, k2…kN могут принимать любые значения от –n до n, но |
||||||
так, что |
|
|
|
|
|
|
p ≤ n , |
|
(3.29) |
||||
где n – степень аппроксимирующего полинома ВАХ.
Богатство спектра комбинационных частот открывает широкие возможно-
сти для реализации различных функциональных преобразований сигнала путем
выделения полезных и подавления не нужных составляющих тока i(t). Рас- смотрим некоторые из них.
3.4.Нелинейные функциональные преобразования
3.4.1.Ограничение
Различают два вида ограничения: ограничение мгновенных значений сигна- ла и ограничение амплитуды гармонических колебаний.
В результате ограничения первого типа мгновенные значения сигнала не выходят за некоторые пределы, называемые порогом ограничения. Возможны три типа ограничения: сверху, снизу и двустороннее.
Транзисторный усилитель с резистивной нагрузкой ВАХ имеет участок насыщения, и в зависимости от амплитуды входного сигнала и напряжения смещения может быть реализован любой из этих видов ограничения. В схеме ограничителя мгновенных значений фильтр не требуется, нагрузка чисто ак- тивная.
Целью амплитудного ограничения является стабилизация амплитуды вы- ходного сигнала, которая не должна зависеть от амплитуды входного сигнала.
Амплитудное ограничение реализуется в схеме двухстороннего ограничителя мгновенных значений, на выходе которого включается фильтр (обычно колеба- тельный контур), настроенный на частоту первой гармоники входного сигнала.
Транзисторные схемы обоих типов ограничителей нарисуйте самостоя- тельно.
44
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
3.4.2. Нелинейное резонансное усиление колебаний высокой частоты
Функционально усиление колебаний высокой частоты представляет собой ли- нейный процесс, т.к. выходной сигнал должен воспроизводить входное воздей- ствие, однако реализацию выгоднее осуществлять с использованием нелиней- ных режимов, т.к. это позволяет улучшить энергетические характеристики.
Простейшая схема транзистора усилителя высокой частоты (УВЧ) пред- ставлена на рис.3. 9.
Рис.3. 9. Резонансный усилитель высокой частоты
На вход подается сигнал U(t) = U1 Cosω1 t. Усиленный сигнал V (t) = V1 Cosω1 t снимается с нагрузки – фильтра, роль которой играет ко- лебательный контур, настроенный на частоту сигнала и потому имеющий на этой частоте чисто активное сопротивление Rэ. Амплитуда сигнала на выходе
определяется первой гармоникой тока коллектора I1:
V1 = Rэ I1 .
Отсюда коэффициент усиления
k = V1 U1 = Rэ I1 U1 = R э S ср , |
(3.30) |
|
где Sср = I1 U1 |
- средняя крутизна ВАХ по первой гармонике тока. |
|
Воспользуемся методом угла отсечки. Cогласно (3.9) |
I1 = SU1 γ1(θ), |
|
и поэтому (3.30) можно записать в виде |
|
|
|
k = S × R э×γ 1 (θ ). |
(3.31) |
С учетом графика для γ1(θ) (см. рис.3. 5) зависимость k от θ имеет вид, показанный на рис.3. 10.
45
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
|
Рис.3. 10. Коэффициент усиления и к.п.д. резонансного усилителя |
||||||||||||||||||
|
Максимум, равный kmax = SRэ, достигается при θ = 1800 , т.е. при |
||||||||||||||||||
переходе в линейный режим работы без отсечки тока. |
|
||||||||||||||||||
|
Выходная высокочастотная мощность равна P1 = 0.5 V1I1, а мощность, |
||||||||||||||||||
забираемая от источника питания P0 = Ek·I0 , |
где I0 = SU1 γ0(θ) – нулевая |
||||||||||||||||||
гармоника, т.е. |
постоянная составляющая тока коллектора. Отсюда к.п.д. уси- |
||||||||||||||||||
лителя равен |
|
|
P1 |
|
1 |
|
V1 I1 |
|
1 |
|
γ1(θ ) |
|
|
||||||
|
|
η = |
|
= |
|
= |
ξ |
× |
(3.32) |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
P |
2 E |
k |
I |
0 |
2 |
|
γ |
0 |
(θ ) |
|
|||||
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
Величина |
ξ = V1 Ek |
называется коэффициентом напряженности режи- |
||||||||||||||||
ма. |
Напряжение на |
контуре V1 не может быть больше напряжения питания |
|||||||||||||||||
Ek , |
поэтому ξ ≤ 1 . |
|
Полагая для критического режима ξ = 1, |
находим, что |
|||||||||||||||
к.п.д. не может превышать величину |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
ηmax |
= 0.5γ 1 (θ ) /γ 0 (θ ) = 0.5α1 (θ ) /α0 (θ )1 . |
(3.33) |
||||||||||||||||
Зависимости γ1(θ)/ γ0(θ) и |
α1(θ)/ α 0(θ) изображены на рис.3. 5 и 6. При |
||||||||||||||||||
больших углах отсечки (θ ≈ 1800 ) в режимах, близких к линейному, к.п.д. не превышает 50%, что энергетически явно не выгодно. Этот режим (класс «А») может использоваться в маломощных усилителях, называемых усилителями напряжения, когда величина к.п.д. не имеет существенного значения. Для усилителей большой мощности, называемых усилителями мощности, величина
46
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
к.п.д. является важнейшим параметром, и поэтому приходится переходить к нелинейным режимам с отсечкой тока, поскольку с уменьшением θ растет
к.п.д.. Однако, режимы с отсечкой θ < |
600 (класс «С») обычно не использу- |
|||||||
ются, т.к. с уменьшением θ падает и полная мощность |
|
|||||||
P |
1 |
= 0.5V I |
1 |
= 0.5 R |
э |
(SU γ |
(θ )) 2 |
(3.34) |
|
1 |
|
1 |
1 |
|
|||
вследствие уменьшения γ1(θ). Из компромиссных соображений между высо- ким к.п.д., большой выходной мощностью и большим коэффициентом уси- ления часто используется режим класса «В» с углом отсечки θ = 900 , при
котором η = 78% , а k = 0.5 SRэ = 0.5 kmax . Этот режим выгоден еще и тем, что позволяет без искажений усиливать колебания с изменяющейся во
времени амплитудой U1(t) (АМ сигналы), т.к. при θ = 900 , когда Есм = Uотс ток первой гармоники линейно зависит от U1, (I1 = 0.5 SU1).
3.4.3. Умножение частоты
Умножение есть такое преобразование сигнала, при котором на выходе
получается колебание с частотой в целое число раз n более высокой, чем на входе. На вход же обычно подается гармоническое колебание
U(t) = U1 Cos ω1 t.
Известны различные типы умножителей, в том числе транзисторный резо- нансный, схема которого не отличается от резонансного усилителя (рис.3. 9), но
выходной контур настраивается на n гармонику входного сигнала ωn=n·ω1,
выделяя ее из спектра тока коллектора. |
Коэффициент передачи умножителя |
||||||||||||||||||
определяется по формуле |
|
In × Rэ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
V |
|
|
|
|
γ n (θ ) × Rэ, |
|
|||||||||||
kn |
= |
|
n |
= |
|
|
= S |
(3.35) |
|||||||||||
U1 |
U1 |
||||||||||||||||||
а к.п.д. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
Pn |
|
|
0.5 In Vn |
|
|
|
1 |
|
γ n (θ ) |
|
Vn |
|
|
||||
ηn |
= |
|
|
= |
|
= |
|
|
× |
. |
(3.36) |
||||||||
|
P0 |
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
Ek I0 |
|
|
|
|
2 γ 0 (θ ) Ek |
|
|||||||||
Для достижения |
максимального выходного сигнала выбирают оптималь- |
||||||||||||||||||
ный угол отсечки θ, равный 1800/n . |
|
Ввиду того, что с увеличением номера |
|||||||||||||||||
47
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com