Для обеспечения заданной мощности на более высоких частотах необходимо увеличивать мощность возбудителя.

Конструктивно оба УМ были собраны на печатных платах с использованием стандартных радиаторов 100x150x20 мм, что объясняется стандартными размерами блока УМ в радиопередатчиках. Катушки индуктивностей в цепях связи - цилиндрические на фе!ррнтовых стержнях марки ВЧ-30 0 16. Добротность катушек нндуктнвно-стей 0=150.

В качестве блокировочных дросселей в цепях питания стока транзисторов одноваттного усилителя и предварительного каскада Ю-аатгного усилителя использовались стандартные дроссели с индуктивнюстью 500 мкГн. Дроссель питания в цепи стока транзистора КП904 - на ферритовом кольце, его ин-дукти1Нвость 100 мкГи.

На рнс. 9.31 приведена принципиальная схема ключевого УМ с iHomh-

НаЛЬНОЙ выходной мощностью Рвы1 =

= 100 Вт, предкаэначеиная для нополь-зовання в Необслуживаемых радиопередатчиках КВ-днапазо а. Усилитель содержит каскад преднарятельного усиления, обраяный на двух транзисторах КП907. На входе VTI включен согласующий П-образный конпур CILIC2C3. Оконечный каскад собран на шести транзисторах КП904А. Такое число транзисторов было выбрано по ооображеиням повышения КПД. Вместо транзисторов КП904Б можно включить также шесть транзисторов КП909 или три более мощных КП913. Оптимальный ключевой режим цепи стока обеспечивается формирующим контуром, содержащим элементы С14, С15, С16, Z.7

Рис. 9.29. Модуляционная характеристика радиопередатчика в отсутствии (/) и прн наличии (2) линеаризации

Вх о-

т кат

\S00hx

*27В

С7 L2

4У Л.-иЖ

1.СВ esl по т

т то*

/OxV/ff.Sr2*0 Т427 у

Рис 9 30. Ключевой УМ с выходной номинальной мощностью 10 Вт

Усилитель имеет общий Т1=62%. Прн этом электронный КПД выходного каскада составляет около 70%. Мостовая схема включения транзисторов предварительного каскада использована для сохранения работоспособности усилителя (хотя и с ухудшенными параметрами) прн выходе из строя одного из транзисторов. С этой же целью в истоки мощных транзисторов включены индивидуальные плавкие предохранители, назначение которых - отключать неисправный транзистор Если в результате его пробоя в лнней-

0.033пк

1000

фС1 5В0 СЗ S3 мп

и ЗОпн \ Вх

Рис. 9.31. Ключевой УМ с номинальной выходной мощностью 100 Вт

ке транзисторов возникает режим, близкий к режиму короткого замыкания, это делает усилитель неработоспособным.

Параллельное включение мощных МДП ПТ не создает дополнительных трудностей при расчете и настройке УМ. Уменьшение КПД усилителя по сравнению с аналогичным по построению усилителем (см. рис. 9.30) связано в основном с использованием транзисторов по мощности в 100-Вт усилителе. При снижении уровня выходной мощности до 50 Вт КПД усилителя возрастает до 85%, а электронный КПД - до 90%. Приведенные на рис. 9.31 значения параметров элементов соответствуют частоте 2,9 МГц.

Пик-фактор напряжения на стоках транзисторов КП904 равен 2,8, а сами транзисторы работают в режиме, близком к оптимальному. Пик-фактор напряжения стока в каскадах на транзисторах КП907 равен Л = 2,1. Транзистор работает в ключевом режиме, однако оптимальность режима не обеспечивается, поскольку оптимальный ключевой режим для данных транзисторов при (Ус = = 27 В н угле отсечки 6=90° был бы опасен нз-за значительного пик-фахтора, при котором напряжение на стоке может превысить максимально допустимое напряжение, равное 60 В для транзистора КП907.

На рис 9 32,0 приведены экспериментальные н расчетные кривые, иллюстрирующие завнснмостн КПД, Pbui и г\з от угла отсечкн тока стока. Из рисунка видно хорошее приближение расчетных данных к экспериментальным. Следует отметить что область возможных значений углов отсечки оказывается довольно узкой. Увеличению углов отсечки препятствует быстрый рост пик-фактора напряжения на стоке, а уменьшению - рост необходимого напряжения возбуждения, которое довольно скоро начинает совместно с напряжением смещения Wi превышать £Узи доп. Разумеется, прн уменьшении уровня Рвых диапазон возможных изменений углов отсечки тока стока расширяется.

Усилитель выполнен на печатной плате. В качестве теплоотвода использован радиатор размерами 130X130X50 мм. В цепях питания транзисторов КП907 использованы стандартные дроссели ДМ-01 индуктивностью 280 мкГн. Дроссели моста сложения намотаны на феррнтовых кольцах ВК-30 0 = 26. Дроссель в цепи питания выходного каскада намотан на ферритовом кольце ВЧ-30 0 = 30. Катушка индуктивности в цепи связи выходного каскада с нагрузкой - воздушная, намотана посеребренной проволокой 0 = 2,5, диаметр витка 30 мм, /,=80 нГн

Температурные зависимости выходной мощности Рвых и КПД ключевого УМ с выходной мощностью 100 Вт приведены на рис. 9.32,6 Из рассмотрения приведенных зависимостей видно, что в диапазоне -60... 4-60° С

входная мощность УМ изменяется не более чем на ±10%. Незначительное влияние оказывает температура и на КПД, который в указанном диапазоне изменяется на ±5%. При этом наблюдается падение выходной мощности и

SO О

76 80

в, град

80 t;c

Рис. 9.32 Зависимости выходной мощности и КПД от угла отсечкн 9 (а) и от температуры окружающей среды t (б): - эксперимент;---расчет

КПД С ростом температуры, связанное с уменьщением крутизны S с-фоетом температуры. В обычном диапазоне температур -60 ... +60° С изменение тэ и Рвых незначительно, причем это достигается без каких-либо специальных мер термостабилнзацин УМ. Последнее также является достоинством мощных МДП-транзисторов.

9.6. Широкополосные высокочастотные усилители мощности

Одна нз тенденций построения современных передающих устройств - применение неперестранваемых щнрокополосных усилителей мощности. Это позволяет исключать нз них громоздкие изделия, такие как катущки переменной индуктивности (вариометры) илн конденсаторы переменной емкости. Облегчается эксплуатация передатчиков - ие требуется настройка резонанс-

ных контуров. Появляется возможность быстрого перехода с одной частоты на другую, особенно прн нспользоваини синтезаторов частоты. Отиощенне верхней /, частоты рабочего диапазона к нижней fa составляет обычно 2... 50, иногда и выше.

В таквх усилителях широко применяются специальные конструкции широкополосных согласующих цепей, например трансформаторы на отрезках лнннй передачи. Конструкция и параметры таких цепей описаны в [171, 172].

Схема включения трансформатора на отрезках линий передачи показана иа рнс. 9.33. Трансформатор в простейшем случае является двухпроводной

Рнс. 9.33. Схема включения трансформатора иа отрезках лнннй передачи

линией в виде скрученных нлн идущих параллельно проводников, намотанных иа ферритовый сердечник. На низких частотах (до сотеи, иногда десятков килогерц) связь между обмотками осуществляется как в обычном трансформаторе через магнитные поля сердечника, однако на высоких частотах эта связь обусловлена процессами в линии передачи. В результате при работе на согласованную нагрузку удается получить коэффициент трансформации Кт=1 в широком диапазоне частот. Более сложные трансформаторы обеспечивают Кл=т\п, где т и я -целые числа [171, 172]. Применение подобных трансформаторов сводит технические решения широкополосных ЧМ к типовым для 50- и 75-Ом высокочастотной техники, в основе которой лежит сочленение согласованных в широкой полосе частот звеньев и каскадов.

Мощные МДП-транзнсторы в таких схемах имеют ряд преимуществ перед биполярными. Частотная зависимость нх параметров выражена слабее, чем биполярных приборов. Паразитные реактивности носят в основном емкостный характер и могут нейтрализоваться или включаться в состав емкостей лнннн передачи. Широкополосность мощных ПТ выше, чем биполярных транзисторов.

Рис. 9.34. Упрощенная схема широкополосного УМ (а) и УМ с согласующими трансформаторами (б)

Несмотря на указанные достоинства при проектировании широкополосных УМ возникает необходимость в выравнивании частотной завиоимости полного входного сопротивления и его согласовании с типовым сопротивлением линий передачи (50 или 75 Ом). На рис. 9.34 показаны две упрощенные схемы усилителей (без цепей питании), в которых используется комбн-нироваинаи ООС: параллельная по напряжению, осуществляемая через резистор Rl, и последовательная по току, осуществлиемая включением резистора R. Схема на рнс. 9.34, а соответствует отсутствию согласующих трансформаторов, а на рис. 9.34, б - их наличию.

Входное и выходное сопротивления усилителей (рис. 9.34) и нх коэффициент усиления определяются через S-параметры усилителя:

20Тр

2 отр

lOTp

1пад=0

где £/1,2пад. t/i.j отр - амплитуды падающих и отраженных волн напряжения соответственно. В [169] приведены следующие соотношения:

[Rl + JRn-Rr)] (1 + gniR2)-gmRHRr

[Ri--{RH-Rr)]0 +gmR2)-gmRHRr

i22= Д

о 2 V7[l-t-g (R,-Ri)]

02,= T = V <J,

t<i = - 2

VG-y a+4ii + VG RnRr 1

I RH + Rr\

\2 VRnRr)

Для типовых Rg= Rj. = 5Q Ом имеем

;?,=25[-1/G- kg + 4(1+VG)i, r,

2500

R, g.

где Д=/?,+/?, + /?г(1+т/?2)+т/?г/?,; g m-5 - крутизна транзистора;

G - коэффициент усиления (численное значение).

Минимальные значения коэффициентов стоячей волны по напряжению получаются при условии (l+gmR2)Ri=gmRrRB, что дзет локальный минимум Sn и S22 и Rs = Rt (абсолютный минимум). В этом случае R1 и R2 находятся по заданным Rr, Rs и G.

Практическая схема широкополосного УМ, реализующая описанную методику проектирования, показана на рис. 9.35. Назначение элементов Rl и R2 ООС уже отмечалось. Применение широкополосного трансформатора на выходе позволяет подключать нагрузку к выходу с отделением от нее постоянной составляющей тока стока и обеспечивать нейтрализацию проходной емкости Сзс с помощью нейтрализующего конденсатора Ся, {Cn = C,c), но практически всегда нужна некоторая подстройка Сц [173].

Однотактиые усилители указанного типа могут работать только в классе А. Их энергетические показатели аналогичны показателям однотактиых трансформаторных усилителей низких частот. Типовые значения КПД обычно не превышают 35 ... 40% (прн этом довольно заметны нелинейные искажения, обусловленные прежде всего второй гармоникой). Усилитель иа рис. 9.35 иа транзисторе VMP1 при Uc = 24 В обеспечивал Рвых = 4 Вт при Kv=l5 дБ и полосе усиливаемых частот от 2 до 100 МГц. Вариант усилите-

>Q-

50 Он 220ГГ>г\

VMP1

50 Он

500 У

. ппг\ .

Рис. 9.35. Широкополосный усилитель мощности для частот 2 ... 100 МГц с нейтрализацией проходной емкости транзистора

ля без входного трансформатора и без нейтрализации (рис. 9.36) имел вдвое

.Трг

от в

Рис. 9.36. Широкополосный усилитель мощности с цепью параллельной отрицательной обрабтной связи

меньшую полосу. На рис. 9.37 представлены АЧХ усилителя для Ки=15 и 30 дБ, АЧХ усилителя с нейтрализацией показана штриховой линией.

Различные варианты подобных усилителей (в зависимости от конструкции трансформаторов и использованных транзисторов) обеспечивают усиление Ки= 2 . .. 30 дБ в полосе частот до 300 МГц при коэффициенте шума 3... ... 5 дБ. Такие усилители широко применяются в связной аппаратуре в качестве входных каскадов магистральных радиоприемников и выходных каскадов маломощных передатчиков. Каскады УВЧ радиоприемников широкополосных УМ отличаются чрезвычайно широким динамическим диапазоном (ограничение наступает при Рвы, = 3...5 Вт) и эффективным (до 45... ...50 дБ) подавлением продуктов взаимной модуляции (при двухчастотном сигнале) и сигналов третьей гармоники.

Существенное улучшение энергетических параметров широкополосных УМ естественно ож;1дать лишь при использовании двухтактных каскадов, рабо-