Широкополосные усилители. Усилители с раздельными полосами

                                    Лекция №

                    Широкополосные усилители.

Так называют усилители, относительная рабочая полоса частот которых составляет десятки процентов и больше, т.е. отношение максимальной частоты  к минимальной  превышает . Идеальная согласующая цепь (СЦ) широкополосного ГВВ должна иметь постоянное входное сопротивление во всем диапазоне рабочих частот. На практике это не удается выполнить, поэтому при проектировании ШПУ устанавливают допустимое отклонение .

Широкополосные согласующие цепи выполняют либо на основе фильтров из LC – элементов, либо на трансформаторах – линиях.

СЦ на основе ФНЧ. Если отношение  не превышает 3..5, то СЦ относительно несложно выполнить на основе LC – фильтров НЧ. Простейший ФНЧ – преобразователь сопротивлений представляет собой последовательное соединение нескольких Г – образных цепочек:
            

  Рис.1.

Здесь входное сопротивление больше сопротивления нагрузки, емкость  способствует фильтрации входного напряжения, индуктивность  - фильтрации выходного тока. Достоинство таких преобразователей в возможности использования межэлектродных емкостей и индуктивностей выводов АЭ в качестве элементов ФНЧ.

Проектирование СЦ на базе ФНЧ – фильтров осуществляется по методикам проектирования фильтров. Максимальные рабочие частоты определяются возможностями создания сосредоточенных LC – элементов и составляют несколько ГГц.

Примером использования ФНЧ – трансформаторов может служить следующая схема:

                                                                                                       Рис.2.

Чем большее число цепочек Г, тем сложнее получается ФНЧ – трансформатор и тем сложнее его настраивать.

Трансформаторы. (Т).

Т. с магнитной связью между обмотками могут выполнить из функций СЦ – преобразование сопротивлений – при отношении  на частотах примерно 10 МГц. Трансформаторы для согласования сопротивлений обычно выполняют на ферритовых кольцах. Коэффициент трансформации сопротивлений числа витков первичной и вторичной обмоток.

Трансформатор – линия.

Представляет собой тороидальный или стержневой ферритовый сердечник с двумя обмотками. Обмотки соединены т.о., что образуют двухпроводную линию передачи, по которой распространяется бегущая волна от источника колебаний к нагрузке.                

В трансформаторе волна распространяется по линии от клемм 1-3 до клемм 2-4. Поскольку токи в обмотках равны а направления их противоположны, то они практически не создают магнитного потока в сердечнике, тем самым обеспечивая минимальные потери в них. Суммарные потери в трансформаторе – линии не превышают 0,05..0,1 дБ. Если к клеммам 1-3 подключить источник колебаний, а к 2-4 – нагрузку, то коэффициент трансформации N окажется равным 1. Чтобы получить , применяют последовательное или параллельное включение нескольких трансформаторов.

 

В этой схеме входы трех трансформаторов соединены параллельно, а выходы - последовательно. Учитывая, что амплитуда тока в нагрузке , а амплитуда напряжения , получим входное сопротивление

                                                                                            Рис.3.

, где. Т.о. рассматриваемый трансформатор является понижающим с коэффициентом трансформации . Соотношения между волновыми и нагрузочными сопротивлениями должны быть следующие: , , где.

На рис.4 показана межкаскадная ЦС, выполненная на трансформаторе из трех линий, включенных по входу последовательно, а по выходу – параллельно:

                                                                                                       Рис.4.

Если входное сопротивление второго транзистора близко к резистивному , а волновое сопротивление линий , то для первого транзистора обеспечивается нагрузочное сопротивление в 9 раз больше ().

Двухтактная схема одного каскада транзисторного ШПУ представлена на                 рис.5:

                                                                                                             Рис.5.

Трансформатор  обеспечивает переход от несимметричного выхода источника возбуждения Г к симметричному входу базовых цепей транзисторов. Трансформаторы  и предназначены для создания протекания четных гармоник токов базы и коллектора. Дополнительно через обмотки  протекает постоянная составляющая тока базы. Трансформатор  осуществляет переход от симметричного выхода схемы к несимметричной нагрузке. Приведенная схема является упрощенной.

Перейдем к особенностям схемного построения ШПУ на лампах. Такие генераторы выполняются на частотах от 0,1 до 120 МГц. Основные трудности в их построении связаны с входной и выходной емкостями ламп. Одним из эффективных способов решения этой проблемы являются УРУ, схема которого имеет следующий вид:

                                                                                                                    Рис.6.

Усиливаемый сигнал подается на вход сеточной линии задержки, составленной из элементов ,  с волновым сопротивлением . На конце линия загружается на согласованное сопротивление (), и в ней устанавливается режим бегущей волны. Лампы усиливают входной сигнал, распространяющийся по линии, и усиленные колебания складываются в анодной цепи задержки, составленной из элементов ,  с волновым сопротивлением , нагруженной на согласованное сопротивление (). В обоих линиях скорости распространения сигнала выбираются одинаковыми, поэтому напряжения, усиленные всеми лампами, на выходном сопротивлении  оказываются синфазными и складываются. Обратные волны от всех ламп приходят кв разных фазах, и поэтому компенсируются.

Переменное напряжение на анодах ламп различно и максимально на последней. Поэтому, если у последней лампы выбирается критический или близкий к нему режим, то все остальные лампы будут работать в недонапряженном режиме. Из-за этого КПД генератора в целом получается ниже, чем, если бы лампы были включены параллельно друг другу. Для повышения КПД разработаны специальные схемы с неоднородными линиями задержки у которых  изменяется по длине. Применяют такие двухтактные схемы, в которых лампы могут работать не в режиме А, а в режиме класса В.

                      Усилители с раздельными полосами.

Принцип их работы состоит в разделении полной полосы частот усилителя на несколько смежных частотных полос, каждая шириной менее октавы, с помощью специального частотно-разделительного устройства, называемого мультиплексором (МП), содержащего набор фильтров. Смешанные полосы частот имеют небольшое перекрытие. Усиление сигналов в каждой частотной полосе осуществляется с помощью сравнительно простого и узкополосного усилителя. Выходы усилителей частотных полос объединяются частотно - суммирующим устройством. Структурная схема такого усилителя имеет вид:

   

                                                                                                                        Рис.7.