\ ок(в)

Прн использовании в ключевых УМ типичных углов отсечкн тока стока 40*<е<100° обычно выполняется условие /см=[1/а*о.(е)-1]/5к£/с<1, поэтому пик-фактор предварительно можно оценить по упрощенному соотношению Я (9, /м) = 1/а*ок(9).

7. Максимальное напряжение на стоке транзистора £/си мам) =£/сЯ. При этом необходимо проверить выполнение условия 1/СИикс<1/СИдоп.

8. Электронный KUJXr\,=l-IcJUcS.

9. Потребляемая мощность Ро=Р\1цз.

10. Параметры элементов контура в оптимальном режиме: нагрузочная добротность контура со стороны транзистора PQ= l/2voxX

сопротивление фильтра r = XclPQ;

эквивалентная индуктивность контура /,э= (JTc--Гфctgфl)/2пf.

Возбуждение ключевых УМ возможно от источников импульсов прямоугольной формы-<меандра (в том числе с выхода логических микросхем), генераторов гармонического напряжения и тока. Так как максимальные частоты ключевых УМ ниже, чем обычных резонансных, то у большинства мощных МДП-транзисторов с относительно небольшими входными емкостями (КП902, КП901, КП905, КП907, КП908) целесообразно возбуждение от источников напряжения. Для более мощных приборов КП904 и КП909 переход к возбуждению от источника тока целесообразен при /> >30 МГц, а для КП913 при f>15 МГц.

При возбуждении от источника напряжения входная мощность Р х = = [/зм0,х/2, где t/Зм-амплитуда напряжения на затворе; Gx - вещественная составляющая входной проводимости (при Сзс = 0 ((0Тк)<1). Прн

этом Gbx = (OCKoVKO-fWCKsVKa ( 1-Tl)

в ключевом усилителе МДП-транзистор работает с большими уровнями входных сигналов, когда сопротивление канала в открытом состоянии транзистора становится весьма мало Гко= (0,62 ... 0,3) Гк это обстоятельство необходимо учитывать при усреднении параметров в открытом и закрытом состояниях.

Требуемая амплитуда напряжения возбуждения

Зм = Л

/г1 У1-Ь((й/-оСк.)

S7. (9)

S7,(9) -S(l-cos9)

где /г1 - амплитуда первой гармоники тока эквивалентного генератора; cw - амплитуда импульса тока, определяемая заданной выходной мощностью; Л - коэффициент увеличения входного напряжения для ввода МДП ПТ в состояние, эквивалентное открытому ключу.

Коэффициент усиления мощности Кр=Ръых1Ргх. Напряжение смещения в цепн затвора

V. (я-б)

7о(6)-

При возбуждении транзистора от источника тока мощность возбуждения

Рвх= .5/3 Vbx, где прн Сас = 0 и (0Тк<1 Vi3 = <0Ti3, Т1з= ТкзСка и Гв1 = = ftl 1 в = ГкоУ! -t-кз ( 1 --Yl) + п71/Ско.

Амплитуда тока затвора /з=ЛГ/г <оСко/5(1-cos9). Коэффициент усиления мощности Кр=Рвых/Рвх. Напряжение смещения в цепи затвора

/зcos9/<оСко-f f/o> If3-U>0, /зСоз9/(0Скз-1-/о. i/з-f/o<0.

По описанной методике был выполнен расчет энергетических показателей УМ (см. рис. 9.13) иа транзисторах различного типа [167] и результаты расчета проверялись экспериментом. На рнс. 9.16 представлены зависимости максимальной частоты от угла отсечки 9, при которых обеспечивается ключевой режим работы. На рис. 9.17 представлены зависимости

О 0,2S 0,5 0,75 Ц/Р

Рнс. 9.17. Зависимости элект- Рис. 9.18. Двухтактный ключевой

усилитель мощности с последовательным Z,C-контуром

ровного КПД ключевого УМ от нормированной выходной мощности при 9=90°:

/) КП901, КП905; 2) КП904;

3) КП909, КП913;---ключевой

режим;---гармонический

электронного КПД Т)э от нормированной выходной мощности для ряда транзисторов в сравнении с гармоническим режимом. Эксперимент показал, что его данные совпадают с результатами расчета с погрешностью 10... ...15% (для Рвых н т)з). За номинальную мощность принята мощность рассеивания соответствующего прибора. Из приведенных данных вытекает, что прн Рвых=0,25Р ом и углах отсечки 9 до 75° частоты УМ ключевого типа доходят до 30... 60 МГц. Прн Рвых=0,5Рн частоты повышаются (до 60 МГц для транзисторов КП901 и до 150 МГц для транзисторов КП906 и КПа13), однако КПД при этом падает.

Весьма высоким КПД (практически до 95%) обладают двухтактные УМ ключевого типа (рис. 9.18). Транзисторы у них открываются и закрываются поочередно, поэтому в точке А формируются прямоугольные импульсы амплитудой UMReUcliRs+RcHBKji), где Реи вкл - сопротивление оконечного транзистора. Последовательный /.С-контур обеспечивает сннусондаль-ность тока в нагрузке, причем Рвык==2 UAu/nR.

Усилители типа рис. 9.18 применяются на более низких частотах, чем одиотахтиые ключевые усилители. Одна из причин этого - возникновение сквозных токов, связанное с тем, что пока один из транзисторов включается, другой ие успевает мгновенно выключиться. Детальный анализ этого явления описывался в § 4.5. Для существующих типов ключевых приборов частоты коммутации ограничены пределами порядка 1...10 МГц,

Я(в./с )=1/але) 1 +

9.5. Практические схемы узкополосных усилителей мощности

Усилители мощности, работающие в классе А, применяются редко. В основном это усилители ВЧ-радиоприемиых устройств с большой перегрузочной способностью. Практическая схема такого усилителя показана на рис. 9.19. Входной i./C/-KOHTyp и выходной 1Хг-контуры обычно синхронно

Рис. 9.19. Усилитель мощности класса А на МДП-транзисторе

Ь*50В

Рис. 9.20. Высокочастотный усилитель мощности на транзисторе КП901А

перестраиваются и настроены на частоту входного сигнала.

Эквивалентное сопротивление К выходного контура /?а = Р2Р(Яь+/?н). где р= V L2/C2, /?н- сопротивление нагрузки, внесенное в колебательный контур; - активное сопротивление потерь; Pj - коэффициент включения контура. Величина ?н = Яя/n2 где /tj--коэффициент трансформации.

Добротность выходного контура при его полном включении Q== /(/?8-b/?,)2n/oji-2 снижается из-за шунтирующего действия выходного сопротивления транзистора Ri. У мощных МДП-транзисторов Ri невелико и обычно не превышает десятков килоом. Поэтому для увеличения Qj используется неполное включение контура.

Полоса пропускания выходного контура 2Af2 - fo2lQi, а частота резонанса /о2=1/2яУ/ С2. В КВ-диапазоие такой усилитель может обеспечить Ки до нескольких десятков. Важным показателем усилителя является уровень шумов. Шумовые свойства мощных МДП-транзисторов рассмотрены в работах [7, 168].

На рис. 9.20 показана практическая схема УМ на мощном МДП-тра.ч-зисторе КП901А. Поскольку не ставилась задача получения малой полосы частот L2C2, контур включен непосредственно в цепь стока и шунтируется нагрузкой /?н=50 Ом. В классе А усилитель имел Ku-5(Ku = SRb) и Кр20 на частоте f=30 МГц. При переходе в нелинейный режим выходная мощность достигала 10 Вт.

Двухкаскадный УМ (рис. 9.21) выполнен на транзисторах КП902А и КП901А. Первый каскад работает в классе А, второй в классе В. Для обеспечения класса В достаточно исключить делитель из цени затвора второго

-о* го В

5,6к

-\ -п* П 7,sm п4 п f

0,Впя

Рис. 9.21. Двухкаскадный усилитель на мощных МДП-транзисторах

транзистора. В усилителе использована широкополосная цепь связи между каскадами. На частоте 30 МГц усилитель обеспечивал Рвы1=10 Вт при Ku>\bviKpm.

Узкополосный усилитель на рис. 9.22 предназначен для работы в диа-

Вх f,7...S

VTt VflPt

i,i..s M/vT 1

у., ггя

¥ОпФ Вых

гопф

0,tHK tK

Юн Тгн Ti

6*30 в

Рис. 9.22. Узкополосный усилитель мощности дли работы в диапазоне 144 ... 146 МГц

пазоне частот 144... 146 МГц [169]. Он обеспечивает усиление по мощности 12 дБ, уровень шумов 2,4 дБ и уровень интермодуляционных искажений не более 30 дБ.

Резонансный усилитель на мощном МДП-транзисторе 2NS235B (рис. 9.23)

ог

гмзгззв

6 и.

.05

С7

08

:НН>

Ф CS

Рис. 9.23. Резонансный усилитель мощности с рабочей частотой

700 МГц

[170] на частоте 700 МГц обеспечивает получение Рвых=17 Вт при КПД 40... 45%.

Усилитель на рис. 9.24 содержит цепь нейтрализации, уменьшающую до уровня -50 дБ уровень обратных наводок. На частоте 50 МГц усилитель

т го

вгонх.

о+г*в

Рис. 9.24. Малошумящий нейтрализованный УМ 14*

имеет увеличение по мощности 18 дБ. уровень шумов 2,4 дБ н выходную мощность до 1 Вт. В запатентованной схеме рнс. 9.25 (патент США 3.919&bd)

Лг а

¥Т

-Г>Г>Г\

UW*20B ll 10 ПК

0,33ПК

1 X

Рис. 9.26. Ключевой усилитель мощности с КПД, равным 90%, на частоте 70 МГц

достигнут реальный КПД, равный 90% при выходной мощности 5 Вт на частоте 70 МГц. Добротность выходного контура прн этом равна 3.

На рнс. 9.26 представлена схема трехкаскадного УМ на отечественных мощных МДП-транзисторах КП905Б, КП907Б н КП909Б [167]. Усилитель

ек\ 1

33 £9

2мк 10 и

*U -*3SB \300й

-33 Щ---

o12 - сиз

Рис. 9.26. Трехкаскадный резонансный УМ диапазона 300 МГц

обеспечивает мощность в нагрузке 30 Вт на частоте 300 МГц. В первых двух каскадах используются резонансные П-образные согласующие цепи, а в выходном каскаде - Г-образная цепь на входе и П-образная на выходе. Зависимости КПД н Рвых от Uq и Рвых н Кр от P,xi, полученные экспериментально н расчетным путем, представлены на рис. 9.27. Расчет выполнялся по методике, описанной в [167].

Прн использовании УМ в АМ-радиопередатчиках (с амплитудной модуляцией) возникают трудности, связанные с обеспечением линейности модуляционной характеристики, т. е. зависимостн Рвых от амплитуды входного сигнала. Онн усугубляются при использовании резко нелинейных режимов работы, таких как класс С. На рнс. 9.28 представлена схема радиопередатчика КВ-диапазона с амплитудной модуляцией. Мощность передатчика 10,8 Вт прн использовании мощного УМДП-транзистора VMP4. Модуляция осуществляется изменением напряжения смещения на затворе. Для уменьшения нелинейности модуляционной характеристики (кривая / на рис. 9.29) в передатчике используется обратная связь по огибающей. Для этого выходное АМ-напряжение выпрямляется и полученный низкочастотный сигнал используется для создания ООС. Модуляционная характеристика 2 иа рис. 9.29 иллюстрирует существенное улучшение линейности.

20 10

3 Щ,Ъ

6 Ph,Br

О 2 <

а) 6)

Рис. 9.27. Зависимости параметров оконечного каскада трехкаскадного УМ от напряжения питания (о) и входной мощности (б):

эксперимент; --- расчет

BxoS 3...30 и

> Q t л

Рис. 9.28. Схема радиопередатчика КВ-диапавоиа с амплитудной

модуляцией

На рис. 9.30 приведена принципиальная схема ключевого УМ с выходной номинальной мощностью 10 Вт и рабочей частотой 2,7 МГц. Усилитель выполнен на транзисторах КП902, КП904. Коэффициент полезного действия усилителя пря номинальной выходной мощности 72%, коэффициент усиления мощности около 33 дБ. Усилитель возбуждается от логического элемента К133ЛБ, напряжение питания 27 В, пнк-фактор напряжения стока выходного каскада равен 2,9. Прн соответствующей перестройке цепей связи усилитель с заданными параметрами работал в диапазоне 1,6... 8,1 МГц.