2.1. Резонансное усиление сигналов и умножение частоты

2.2.jpg В технике радиопередающих устройств широко применяются резонансные усилители мощности. Их отличительная черта – работа при больших амплитудах входных напряжений, что делает обязательным учет нелинейного характера ВАХ активных элементов (транзис-торов или электронных ламп).

Схема резонансного усилителя изображена на Рис. 2.1. На вход усилителя (в цепь база – эмиттер) подается входное напряжение:

u(t)=uc(t)+U0=Umвх cos ω0t+U0. (2.1)

Нагрузкой усилителя служит колебательный контур, настроенный на частоту сигнала, т.е. ωp= ω0 . ВАХ транзистора представлена отрезками прямых, т.е. имеет кусочно-линейную аппроксимацию вида 1.

На Рис. 2.2 показаны графики токов и напряжений в усилителе.

Ток, протекающий в коллекторной цепи имеет вид последовательности косинусоидальных импульсов (Рис. 2.2, а). Так как нагрузкой усилителя является контур, настроенный на частоту ω0 , ведущую роль в работе усилителя играет первая гармоника тока (Рис. 2.2, б).

Амплитуда первой гармоники тока:

I1=SUmвхγ1(θ), (2.2)

Амплитуда выходного напряжения:

Umвых=I1Rэ=SUmвхRэ γ1(θ), (2.3)

где .

Ri – внутреннее сопротивление НЭ,

Rн = ρQ – сопротивление нагрузки,

Q – добротность контура,

ρ – характеристическое сопротивление контура.

Сопротивление нагрузки на частотах 2ω0 , 3ω0 и т.д. ничтожно мало и высшие гармоники практически не дают вклада в выходной сигнал. График выходного напряжения изображен на Рис. 2.2, в. Из этого графика следует, что:

.

Так как колебательный контур сам усиливает гармоническую составляющую частоты ω0 (добротность контура велика), то амплитуда Umвых достигает значений, близких к . Тогда в определенные промежутки времени выходное напряжение uвых(t) превосходит напряжение (Рис. 2.2, в). Физически это объясняется тем, что при закрытом транзисторе потенциал коллектора определяется напряжением , с которым складывается напряжение на заряжающейся емкости (за счет запасенной в индуктивности контура энергии). Этим обусловлен эффект усиления.

Зависимость Umвых= ƒ(Umвх) называется колебательной характеристикой, которая должна быть линейной в диапазоне от 0 до Umвх (Рис. 2.3). В общем случае колебательная характеристика нелинейна, так как θ (выражение 1.16), а следовательно и γ1(θ) зависит от Umвх. Исключение: Uн=U0, θ=900. При этом γ1(900)= 0.5, а Umвых=0.5SUmвхRэ.

2.3.jpg Ширина линейного участка определяется критическим значением Umвх кр . При Umвх < Um кр режим работы усилителя называют недонапряженным, а при Umвх > Um кр - перенапряженным режимом.

Если в схеме резонансного усилителя колебательный контур будет настроен

на частоту ωk =k ω0 , то его используют в качестве умножителя частоты. При этом амплитуда выходного напряжения равна:

Uвых=IkRэ=SUmвхRэ γk(θ). (2.4)

Так как значения γk(θ) существенно снижаются с ростом номера k, и амплитуда выходного напряжения значительно падает, поэтому практически, как правило, реализуют удвоители и утроители частоты.

Радиотехнические цепи и сигналы


*****
Новосибирск © 2009-2017 Банк лекций siblec.ru
Лекции для преподавателей и студентов. Формальные, технические, естественные, общественные, гуманитарные, и другие науки.