Лекция 25

Генераторы – усилители АМ колебаний: возможные режимы усиления АМ колебаний, их сравнение. Основы инженерного расчёта усилителя АМ колебаний.

При усилении амплитудно-модулированных (АМ) колебаний на управляющий электрод АЭ ГВВ поступает напряжение возбуждения с переменной амплитудой

, (25.1)

где m_ВХ – коэффициент модуляции входного (подлежащего усилению) АМ колебания. Напряжение смещения при усилении АМ колебания остаётся неизменным.

Очевидно, результирующее мгновенное напряжение на входе АЭ усилителя АМ колебания имеет вид:

Как и при модуляции смещением, результирующее входное напряжение усилителя АМ колебания изменяется в соответствии с модулирующим сигналом. Но если при модуляции смещением это изменение происходит за счёт изменения смещения, то в усилителе изменение входного напряжения происходит за счёт изменения амплитуды высокочастотного сигнала возбуждения. В силу отмеченного сходства в изменении результирующего входного напряжения усилители АМ колебаний относятся к системам с модуляцией в цепи входного электрода (сетки, базы) и имеют много общих черт с амплитудно-модулируемыми генераторами смещением.

В процессе усиления АМ колебания огибающая амплитуды первой гармоники анодного (коллекторного) тока должна в точности совпадать с огибающей напряжения возбуждения, то есть АЭ ГВВ должен работать в таком режиме, чтобы существовала линейная зависимость

,

где А, k – постоянные величины.

Используя последнее выражение, нетрудно показать, что при A > 0 коэффициент модуляции тока m будет меньше коэффициента модуляции входного напряжения m_ВХ, а при A < 0, напротив, m будет больше m_ВХ. При A = 0 коэффициент модуляции выходного тока оказывается равным коэффициенту модуляции входного напряжения, то есть m = m_ВХ.

Зависимости I_A1(U_MC) рассматривались в лекции 8 (см. рис.8.6) для трёх случаев:¹
1 – когда напряжение смещения более отрицательное, нежели напряжение отсечки, соответственно нижний угол отсечки анодного (коллекторного) тока θ < 90°; 2 – когда напряжение смещения равно напряжению отсечки и в этом случае нижний угол отсечки анодного (коллекторного) тока θ = 90°; 3 – когда напряжение смещения менее отрицательное, чем напряжение отсечки. В последнем случае нижний угол отсечки 90° < θ ≤ 180°. Эти зависимости показаны на рис.25.1. Так как рассматриваемые зависимости снимаются или рассчитываются при пошаговом изменении амплитуды напряжения возбуждения, то они называются статическими модуляционными характеристиками (СМХ) режима усиления АМ колебаний.² Из представленных зависимостей видно, что усиление АМ колебания принципиально возможно только в области недонапряжённого режима, когда анодный (коллекторный) ток растёт с ростом напряжения возбуждения.

Очевидно, при рассмотрении вопросов усиления АМ колебаний необходимо рассмотреть условия линейности СМХ при различных значениях нижнего угла отсечки анодного (коллекторного) тока и связь между коэффициентами модуляции выходного тока m и коэффициентом модуляции напряжения возбуждения m_ВХ.

Так как усиление АМ колебаний, как и модуляция смещением, возможно в недонапряжённом режиме, то аналитическое выражение СМХ при усилении АМ колебаний совпадает с выражением (24.10) СМХ модуляции смещением. Причём, если при модуляции смещением выражение (24.10) в неявном виде описывает СМХ, то при усилении АМ колебаний оно описывает СМХ режима усиления в явном виде.

Таким образом, при кусочно-линейной аппроксимации статических ВАХ анодного (коллекторного) тока уравнение СМХ для первой гармоники при усилении АМ колебаний имеет вид:

(25.2)

Вид СМХ зависит от выбранного угла отсечки анодного (коллекторного) тока в режиме максимальной мощности θ_МАКС.

Рассмотрим следующие случаи.

1. Нижний угол отсечки анодного (коллекторного) тока в режиме максимальной мощности θ_МАКС = 180°.

Положение рабочей точки на статической ВАХ, соответствующей такому режиму усиления АМ колебания, показано на рис.25.2.³

В этом случае нижний угол отсечки тока не изменяется при изменении амплитуды входного колебания, соответственно . Уравнение СМХ (25.2) принимает вид (в обозначениях лампового генератора)

. (25.3)

и, как видим, соответствует прямой линии, выходящей из начала координат. Крутизна модуляционной характеристики (тангенс угла наклона прямой линии)

. (25.4)

На рис.25.3 представлено семейство СМХ для рассматриваемого режима.

О чевидно, глубина модуляции анодного тока m равна глубине модуляции колебания во входной (сеточной) цепи m_С, в чём легко убедиться, используя (25.3) и учитывая, что

Аналогично для транзисторного усилителя: коэффициент модуляции коллекторного тока m равен коэффициенту модуляции входного (базового) напряжения: m = m_ВХ = m_Б. Так как у транзистора с большим основанием можно считать D = 0, соответственно
R_i = ∞, то вместо семейства СМХ получаем одну характеристику, соответствующую представленной на рис.25.3 для R_oe/R_i = 0.

Линейность модуляционных характеристик и их большая крутизна S_MX являются достоинствами режима усиления АМ колебаний при θ_МАКС = 180°. Однако эти достоинства не могут быть использованы в мощных каскадах вследствие низкого значения КПД анодной (коллекторной) цепи в таком режиме. Этот режим успешно применяется в маломощных усилителях, в которых предъявляются особенно жёсткие требования к нелинейным искажениям, например, в маломощных ступенях многоканальных однополосных передатчиков.

2. Нижний угол отсечки анодного (коллекторного) тока в режиме максимальной мощности θ_МАКС = 90°.

П оложение рабочей точки на статической ВАХ, соответствующей такому режиму усиления АМ колебания, показано на рис.25.4. Как и в предыдущем режиме, в этом случае нижней угол отсечки (анодного) коллекторного тока остаётся неизменным при изменении амплитуды входного колебания, соответственно

Уравнение СМХ (25.2) принимает вид:

. (25.5)

Как видим, СМХ по прежнему представляют прямые линии, выходящие из начала координат (рис.25.5). Однако крутизна модуляционных характеристик при этом меньше, чем в предыдущем случае. Так как СМХ выходят из начала координат, то коэффициент модуляции анодного (коллекторного) тока будет такой же, как у напряжения возбуждения, то есть

Л инейное усиление АМ колебания и хороший при этом КПД анодной (коллекторной) цепи генератора являются большими достоинствами режима усиления при θ_МАКС = 90°.

Следует отметить, что нижний изгиб статических ВАХ i_A(e_C) или i_К (e_Б) почти не изменяет вид СМХ при малых значениях напряжения возбуждения. Дело в том, что при малых амплитудах возбуждения угол нижней отсечки растёт и крутизна СМХ, определяемая в общем случае согласно (25.2) выражением

,

остаётся практически неизменной, так как уменьшение статической крутизны S компенсируется ростом второго сомножителя с увеличением θ. Следовательно, уравнение (25.5) можно считать справедливым при любых значениях амплитуды напряжения возбуждения.

3. Нижний угол отсечки анодного (коллекторного) тока в режиме максимальной мощности θ_МАКС < 90⁰. В этом режиме, в отличие от двух предыдущих, нижний угол отсечки не будет оставаться неизменным, а будет уменьшаться с уменьшением амплитуды напряжения возбуждения. Положение рабочей точки, соответствующей такому режиму, показано на рис.25.6.

С разу обращает на себя внимание следующая особенность рассматриваемого режима. Как видно из рис.25.6, если на вход подать колебание со 100% модуляцией (m_ВХ = 1), то как только амплитуда колебания станет равной интервалу между напряжением смещения – Е_С и напряжением отсечки –Е^/_С, анодный ток принимает нулевое значение и остаётся равным нулю при всех значениях амплитуды напряжения возбуждения, меньшей величины этого интервала. Следовательно, режим будет сопровождаться большими нелинейными искажениями, обусловливаемыми в первую очередь тем, что на входе сигнал есть, а на выходе некоторое время сигнала нет. Очевидно, чтобы выходной сигнал не исчезал, амплитуда напряжения возбуждения не должна становиться меньше величины

. (25.6)

Из этой особенности следует, что для получения 100% модуляции анодного (коллекторного) тока входное напряжение должно иметь коэффициент модуляции меньше 100%, который должен быть равен

, (25.7)

где U_{МС МИН} в случае лампового генератора определяется (25.6). В случае использования транзистора n-p-n – типа, если смещение в рабочей точке Е_Б > 0, то

(*)

если смещение отрицательное, то