Ланцюги узгодження

Основні вимоги до ланцюгів узгодження (ЦС)

1. Ланцюги узгодження призначені для перетворення опору навантаження Z_н в деякий інший эквивалентний опір в колекторному ланцюзі R_екв = R_к, що забезпечує критичний режим роботи транзистора (мал. 2.10). У загальному випадку опір навантаження містить як активну R_н, так і реактивну Х_н складові: Z_н = R_н + jX_н.

2. Реактивна складова опору навантаження повинна компенсуватися шляхом включення послідовно з навантаженням додаткового реактивного опору іншого знаку Х_доп = - Х_н або враховується при розрахунку елементів ланцюга узгодження.

3. При роботі транзистора в режимі з відсіченням колекторного струму ланцюг узгодження повинен забезпечити хороше виділення необхідній гармонійній складовій, тобто повинна володіти резонансними властивостями.

4. Ланцюг узгодження повинен мати високий коефіцієнт корисної дії , де Р_вих і Р_вх - потужності на виході ЦС і на її вході відповідно (мал. 2.10).

5. У ряді випадків потрібно забезпечити з високою точністю необхідну форму амплітудно-частотної характеристики каскаду.

6. До ланцюгів узгодження вихідних каскадів пред’являються жорсткі вимоги по фільтрації гармонік. Потужність побічних випромінювань не повинна перевищувати 25·10^-6...1·10^-3 Вт залежно від діапазону частот, потужності і призначення передавача.

Коливальний контур в ланцюгах узгодження. Один з варіантів використання паралельного контура в ЦС приведений на мал. 1.1. При точному настроюванні контура на частоту вхідного сигналу з (режим посилення потужності) трансформація опорів забезпечується тут відповідно до наступного виразу:

,

де R_к - еквівалентний опір колекторного навантаження, R_рез - еквівалентний резонансний опір контура - характеристичний опір контура, r ₀ - опір власних втрат в контурі.

При настройці каскаду критичний режим можна забезпечити підбором оптимального зв’язку з навантаженням М_свопт. При зміні зв’язку міняється опір, що вноситься

(2.6)

(тут Х_св = ω М_св), змінюється добротність навантаженого контура

і його резонансний опір

.

При слабкому зв’язку опір, що вноситься, малий, резонансний опір великий, величина опору колекторного навантаження R_к = p ² R_peз перевищує оптимальне значення, відповідне критичному режиму. Каскад знаходиться в перенапруженому режимі. При збільшенні зв’язку опір, що вноситься, зростає, добротність контура і його резонансний опір зменшуються, каскад спочатку переходить в критичний, а потім в недонапружений режим. У критичному режимі корисна потужність максимальна. Таким чином, існує оптимальний зв’язок з навантаженням М_свопт, відповідна критичному режиму роботи каскаду.

Ми розглянули тільки один вид зв’язку контура з навантаженням - трансформаторний зв’язок. На практиці використовуються і інші види зв’язку, наприклад - автотрансформаторний (мал. 2.11). В даному випадку ємкість розділового конденсатора С_р вибирається з умови: а опір, що вноситься, визначається по формулі (2.6), де Х_св = ω L ₁.

Мал 2.11

Часткове включення контура в колекторний ланцюг транзистора. На практиці повне включення контура в колекторний ланцюг використовується лише в малопотужних каскадах. У могутніх транзисторних каскадах еквівалентний опір колекторного навантаження стає настільки малим (одиниці Ом), що реалізувати його вдається лише при неповному включенні контура в ланцюг колектора.

Приклад. Хай корисна потужність P ₁ = 100 Вт, амплітуда змінної напруги на колекторі U_те = 20 В. Тоді необхідний опір колекторного навантаження рівний:

Ом.

Відзначимо, що у разі часткового включення контура в колекторний ланцюг транзистора опір навантаження менший, ніж резонансний опір коливального контура, а саме

, (2.7)

де р ≤ 1 – коефіцієнт включення (мал 2.12).

Мал. 2.12

Покажемо справедливість формули (2.7). Дійсно корисна потужність , де U_тк - амплітуда Змінної напруги на колекторі, R_к - еквівалентний опір колекторного навантаження, U_конт - амплітуда змінної напруги на контурі. З цього виразу виходить, що .Відношення - коэффициент включення.

Інший варіант часткового включення показаний на мал. 2.13. Тут транзистор включається в ємкісну гілку контура. Перевага такого способу в тому, що вищі гармоніки коллекторного струму, проходячи через конденсатор С ₂, створюють значно менше падіння напруги на колекторі транзистора, чим у разі включення в індуктивну гілку контура.

Мал. 2.13

Міняючи на мал. 2.13 місцями конденсатор С ₃ і котушку індуктивності L_к, виключивши котушку зв’язку і підключивши опір навантаження паралельно конденсатору С ₃, переходимо до третього варіанту включення контура в колекторний ланцюг транзистора - П-подібний ланцюгу узгодження (див. мал. 2.14).

Мал. 2.14

Г-подібні ланцюги узгодження (мал. 2.15) містять два реактивні елементи Х ₁ і Х ₂, перетворять опір навантаження R ₂ в деякий інший еквівалентний активний опір R ₁, причому обов’язковою умовою реалізації являеться наступне: R ₂ < R ₁. Вхідний опір Г-подібному ланцюгу стає чисто активним і рівним R ₁, якщо виконано дві умови:

,

,

де - добротність ланцюга [1]. Добротність однозначно визначається відношенням опорів:

, (2.8)

причому R ₂ < R ₁. Значення Х ₁ и Х ₂ визначаються виразами:

, . (2.9)

Знаки X ₁ і Х ₂ протилежні. Можливі два варіанти показано на мал. 2.16.

Мал. 2.16

Перша схема частіше застосовується в підсилювачах потужності, оскільки забезпечує кращу фільтрацію гармонік струму активного елементу.

Ланцюг на мал. 2.16, а можна розглядати як паралельний коливальний контур з добротністю Q. При малих добротностях такий ланцюг характеризується широкою смугою пропускання, тобто поганою фільтрацією, хоча коефіцієнт корисної дії при цьому достатньо високий. При великих добротностях фільтрація поліпшується, але різко звужується смуга пропускання ланцюга, знижується коефіцієнт корисної дії η _цс. При , що відповідає Q > 3, смугу пропускання такого ланцюга можна оцінити по тій же формулі, що і для паралельного контура: .

Формули для розрахунку елементів першої Г-подібної ЦС (мал. 2.16, а):

, (2.10)

. (2.11)

Відзначимо, що якщо опір навантаження містить реактивну складову Х_н, тобто Z_н = Х_н + R ₂, то в реальній схемі дійсне значення індуктивності треба скоректувати:

,

де L_дійсн - величина індуктивності, розрахована по формулі (2.10).

Властивості ЦС, що фільтрують, можна поліпшити, якщо послідовно з Х ₂ включити додаткову індуктивність L_доп, компенсуючи її опір ємкістю С_доп (мал. 2.17).

Мал. 2.17

П-подібні ланцюги узгодження широко застосовуються як у вихідних, так і в проміжних каскадах передавачів. На відміну від Г-подібних ланцюгів П-подібні ЦС можуть використовуватися як при R ₂ < R ₁,так і при R ₂ > R ₁. П-подібний ланцюг може бути отриманий шляхом послідовного з’єднання двох Г-подібних ланцюгів, що перетворюють опори R ₁ і R ₂ в деякий проміжний опір R ₀ < R ₁, R ₂ (мал. 2.18). Задаючись значеннями R ₀, елементи будь-який П-подібний ЦС можна розрахувати по формулах (2.8) і (2.9).

Мал. 2.18

На практиці зазвичай бувають задані R ₁ і R ₂, потрібно розрахувати величини L, С ₁ і С ₂. Порядок розрахунку:

Вибираємо /

Обчислюємо значення С ₁ і С ₂:

; .

Після розрахунку цих параметрів обов’язково перевірити наступне:

1) характеристичний опір

;

2) опір, що вноситься

;

3) добротність навантаженого контура

,

де , Q_xx = 100…200 - добротність холостого ходу;

4) коефіцієнт корисної дії ланцюга узгодження

.

Так само, як і у разі Г-подібних ланцюгів, що фільтрують властивості П-подібній ЦС можна поліпшити шляхом збільшення індуктивності на величину L_доп і компенсації її опору додатковою ємкістю С ₃ схема, що Виходить, приведена на мал. 2.19 і також дуже широко використовується на практиці. Порядок розрахунку і всі необхідні формули приведені в допомозі [8]. Конденсатори С ₂ і С ₃ - змінні: С ₂ - для регулювання зв’язку з навантаженням, С ₃ - для настройки контура в резонанс. У реальній схемі номінал конденсатора С ₁ необхідно вибирати з урахуванням вихідної ємкості транзистора: С _{1 дійсн} = С _{1 розр} - С_вих

Мал. 2.19

Фільтрація вищих гармонік у вихідних ланцюгах узгодження. Сучасні радіотехнічні системи працюють в складних умовах при дії зовнішніх електромагнітних полів, що заважає. Для різних видів передавачів відповідно до рекомендацій МККР встановлені допустимі рівні позасмугових випромінювань - або в абсолютній величині потужності Р_доп, Вт, або у відносних одиницях , дБ.

Ступінь придушення вищих гармонік в ланцюгах узгодження оцінюється коефіцієнтом фільтрації

,

де I _{1 вх} і І _{1 вих} - амплітуди перших гармонік струмів на вході і виході ЦС, І_пвх і І_пвих - амплітуди n -них гармонік струмів на вході і виході ЦС.

Визначимо необхідний коефіцієнт фільтрації, виходячи з допустимої потужності n -ної гармоніки в антені Р_пдоп. Для цього запишемо вирази для потужностей першої і n -ної гармонік на виході:

, .

Поділивши другий вираз на перше і витягуючи квадратний корінь, отримаємо:

.

Відношення струмів на вході ЦС можна записати в наступному вигляді:

.

Поділивши останні вирази один на одного, з урахуванням вимоги Р_п ≤ Р_пдоп отримаємо:

.

Приклад. Схема зв’язку контура з антеною, показана на мал. 2.7, з погляду фільтрації гармонік - не кращий варіант, оскільки вищі гармоніки колекторного струму замикаються в ємкісній гілці контура. Помінявши в цій схемі місцями L_к і С_{к 1}, переходимо до П-подібому ланцюгу узгодження.

Дата добавления: 2015-09-06