Лекция 24 (лекции по УГФС), страница 3

На рис.24.5 представлены возможные схемы осуществления АМ смещением в ламповом и транзисторном генераторах. В режиме несущей частоты (режим молчания, телефонный режим) напряжение смещения постоянно и равно Е_{С Н} или Е_{Б Н}.¹² При подаче модулирующего сигнала напряжение смещения изменяется, соответственно, по закону:

г
де, напомним, U_ΩM – амплитуда модулирующего сигнала.

Изменение напряжения смещения в процессе модуляции вызывает соответствующие изменения угла нижней отсечки θ и амплитуды импульсов анодного I_MA или коллекторного I_MK тока, как показано на рис.24.6,¹³ и, как следствие, изменения амплитуды первой гармоники тока.

Зависимости I_A1(E_C), I_A0(E_C), I_К1(Е_Б), I_К0(Е_Б), представляющие СМХ при модуляции смещением, рассматривались нами в лекции 8 при обсуждении зависимости режима ГВВ от напряжения смещения и представлены на рис.8.12 и рис.8.13 для лампового и транзисторного генераторов соответственно. Эти зависимости показаны на рис.24.7. Как отмечалось, зависимости имеют выгиб вниз в своей нижней части и могут иметь выгиб вверх в верхней части. В области недонапряжённого режима СМХ имеют тенденцию к росту с ростом смещения, что как раз необходимо для осуществления модуляции смещением. В этой области при значениях нижнего угла отсечки в пределах 60⁰ ≤ θ ≤ 120⁰ СМХ оказываются линейными в соответствующем интервале изменения смещения. Рабочая точка, соответствующая режиму несущей частоты (он же режим молчания или телефонный режим), выбирается из соображений получения линейной модуляции на середине линейного участка СМХ, как отмечено на рис.24.7. Нетрудно заключить, рассматривая СМХ, что при осуществлении 100% модуляции (m = 1) обязательно появятся нелинейные искажения за счёт нелинейности СМХ в своей нижней части, так как ток должен в процессе модуляции в минимальном режиме принимать нулевое значение. Очевидно также, если рабочую точку на СМХ сместить влево от указанного положения, то нелинейные искажения появятся при меньшем значении коэффициента модуляции. Если рабочую точку выбрать на нелинейном нижнем участке СМХ, то модуляция при любом коэффициенте модуляции будет с
опровождаться нелинейными искажениями.

Итак, модуляция смещением возможна в недонапряжённом режиме ГВВ и только для режима максимальной мощности (максимального режима) при 100% модуляции может быть допущен критический режим. При заходе в перенапряжённый режим СМХ загибаются вниз и модуляция будет сопровождаться большими нелинейными искажениями.

Аналитическое выражение СМХ при модуляции смещением при кусочно-линейной аппроксимации статических ВАХ анодного тока лампы или коллекторного тока транзистора может быть получено следующим образом.

Согласно эквивалентной схеме анодной цепи лампы или коллекторной цепи транзистора для области недонапряжённого вплоть до критического режима, рассмотренной в лекции 9 (см. рис.9.1)¹⁴ и показанной на рис.24.8, для амплитуды первой гармоники выходного тока можно записать (приводимые ниже выражения записаны в обозначениях лампового генератора, для транзисторного генератора выражения подобны):

(24.10)

Выражение (24.10) не раскрывает непосредственную связь между I_A1 и смещением Е_С . От напряжения смещения зависит коэффициент γ₁(θ) = α₁(θ)(1 – cosθ), так как нижний угол отсечки анодного тока θ зависит от Е_С . В частности, для лампового ГВВ¹⁵

Учитывая в последнем выражении (24.10), после преобразований получаем:

(24.11)

Решая совместно (24.10), (24.11), можно построить СМХ при любом значении U_MC . Например, задавшись значением Е_С , при известных значениях отношения R_oe/R_i и U_MC из (24.11) можно отыскать значение γ₁(θ) (уравнение (24.11) трансцендентно и решается графически либо другим способом). После этого из (24.10) находится ток I_A1. На практике для упрощения расчёта СМХ задаются значениями θ . Соответственно из (24.10) непосредственно находят ток, а из (24.11) находят соответствующее смещение. Нетрудно увидеть, что расчёт СМХ существенно упрощается, если можно принять значение параметра D равным нулю, что допустимо для генераторных тетродов и пентодов и для триодов с малой проницаемостью, а также для транзисторов. Если D = 0, то отпадает необходимость в решении трансцендентного уравнения (24.11), так как оно перестаёт быть таковым.

Вопросы теории АМ смещением ламповых и транзисторных генераторов давно и хорошо разработаны. При этом для общего анализа используются обобщённые СМХ, уравнения которых записываются на основании (24.10) и (24.11).

Согласно (24.10) обобщённый параметр

(24.10^/)

Согласно (24.11) обобщённый параметр

. (24.11^/)

Нетрудно видеть, что значения параметра y заключены в пределах 0…1. Нулевое значение имеет место при θ = 0 и не зависит от отношения R_oe/R_i. Максимальное значение y = 1 имеет место при θ = 180°, причём только при R_oe/R_i = 0. При значениях R_oe/R_i, отличных от нуля, максимальное значение y при θ = 180° оказывается меньше единицы. Значения параметра x заключены в пределах –1…+1. При этом значение –1 соответствует θ = 0 и не зависит от отношения R_oe/R_i. Значение +1 имеет место при θ = 180°, причём только при R_oe/R_i = 0. При значениях R_oe/R_i, отличных от нуля, максимальное значение x при θ = 180° оказывается меньше +1.

Как следует из (24.10), также из (24.10^/), если U_MC = const и S = const, то амплитуда первой гармоники анодного тока (аналогично коллекторного тока) при модуляции смещением линейно зависит от сомножителя

Так как, как правило, R_oe/R_i < 1, а при использовании в модулируемом генераторе тетрода или пентода, или биполярного транзистора можно считать R_oe/R_i ≈ 0, то линейность рассматриваемой СМХ практически оказывается обусловленной тем, насколько коэффициент линейно зависит от смещения Е_С (или Е_Б в транзисторном генераторе). Как отмечалось (см. лекцию 5), коэффициент имеет линейный участок в пределах значений нижнего угла отсечки 60° ≤ θ ≤ 120°. При этом оказывается также, что в пределах указанных значений нижний угол отсечки анодного (коллекторного) тока практически линейно зависит от смещения.¹⁶ Соответственно рассматриваемая СМХ на этом участке оказывается практически линейной.

Выражения (24.10^/) и (24.11^/) позволяют установить зависимость y(x) при θ = const. Действительно, согласно (24.11^/)

Соответственно, согласно (24.10^/)

, (24.12)

где k – постоянный коэффициент при θ = const.

Как видим, зависимости y(x) при θ = const представляют прямые линии, выходящие из начала координат под углом, тангенс которого равен k. При θ = 180° k = 1, при θ = 90°
k = ∞ ( в этом случае прямая линия совпадает с осью y), при θ = 0 k = 0 и прямая совпадает с осью x, но направлена в противоположную оси сторону.

Р ассмотренные СМХ представлены на рис.24.9. При проектировании генератора с модуляцией смещением заходить в область значений θ > 120° нецелесообразно, так как появляются нелинейные искажения и уменьшается КПД анодной (коллекторной) цепи. Для получения 100% модуляции значение θ должно доходить до нуля. При этом неизбежны нелинейные искажения. При инженерных расчётах этими искажениями пренебрегают и считают СМХ линейной во всей её нижней части.

Во многих случаях оказывается возможным снять СМХ вида I_A0(E_С) в случае лампового генератора и I_К0(Е_Б) в случае транзисторного генератора. Эти СМХ также легко могут быть описаны аналитически, если учесть, что постоянная составляющая выходного тока АЭ и амплитуда его первой гармоники при кусочно-линейной аппроксимации статических ВАХ лампы или транзистора связаны соотношением

, (24.13)

где I_А1 (точно также и I_К1) определяется выражением (24.10). В рассмотрение можно ввести обобщённую СМХ

. (24.13^/)

СМХ (24.13) и (24.13^/) являются более нелинейными в области рабочих значений угла θ, чем СМХ по первой гармонике (24.10) и (24.10^/). В то же время при инженерных расчётах они также полагаются линейными, что практически не отражается на результатах энергетических расчётов различных режимов модуляции.

В большинстве случаев исходным параметром для расчёта генератора с модуляцией смещением является мощность в режиме несущей частоты P_~Н. Заданным также является коэффициент модуляции m. Если значение m не оговаривается, то принимают максимальное допустимое значение m = 1. АЭ выбирают из условия обеспечения мощности в максимальном режиме (24.7), то есть номинальная колебательная мощность лампы или транзистора должна удовлетворять условию

. (**)

Если по условию задания указана мощность P_~Н в полезной нагрузке, то при определении номинальной мощности АЭ необходимо учесть КПД контура (цепи согласования). В этом случае лампа или транзистор должны отдавать больше мощность, так как часть её будет теряться в контуре (цепи согласования).

Если выбрать АЭ на меньшую мощность, чем указано выше (**), например, на P_~СР, то возникнут нелинейные искажения в верхних точках модуляции.