Практические схемы узкополосных усилителей мощности на полевых транзисторах. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники / ВЧ усилители мощности

 Комментарии к статье

Усилители мощности, работающие в классе А, применяются редко. В основном это усилители ВЧ радиоприемных устройств с большой перегрузочной способностью. Практическая схема такого усилителя показана на рис.1. Входной L1С1-контур и выходной L2С2-контуры обычно синхронно перестраиваются и настроены на частоту входного сигнала.

Рис.1. Усилитель мощности класса А на МДП-транзисторе

Эквивалентное сопротивление Rэ выходного контура Rэ=P2p2/(RL+Rн'), где р=Sqr(L2/C2), Rн' - сопротивление нагрузки, внесенное в колебательный контур; RL - активное сопротивление потерь; Р2 - коэффициент включения контура. Величина Rн'=Rн/n22, где n2 - коэффициент трансформации.

Добротность выходного контура при его полном включении Q=RэRi/(Rэ+Ri)2pfoL2 снижается из-за шунтирующего действия выходного сопротивления транзистора Ri. У мощных МДП-транзисторов Ri невелико и обычно не превышает десятков килоом. Поэтому для увеличения Q2 используется неполное включение контура.

Полоса пропускания выходного контура 2Df2=fo2/Q2, а частота резонанса fo2=l/2pSqr(L2C2). В КВ-диапазоне такой усилитель может обеспечить Ки до нескольких десятков. Важным показателем усилителя является уровень шумов. Шумовые свойства мощных МДП-транзисторов рассмотрены в работах [1].

На рис.2 показана практическая схема УМ на мощном МДП-транзисторе КП901А. Поскольку не ставилась задача получения малой полосы частот L2C2, контур включен непосредственно в цепь стока и шунтируется нагрузкой Rн=50 Ом. В классе А усилитель имел Ku=5(Ku=SRн) и Кр>20 на частоте f=30 МГц. При переходе в нелинейный режим выходная мощность достигала 10 Вт.

Рис.2. Высокочастотный усилитель мощности на транзисторе КП901А

Двухкаскадный УМ (рис.3) выполнен на транзисторах КП902А и КП901А. Первый каскад работает в классе А, второй в классе В. Для обеспечения класса В достаточно исключить делитель из цени затвора второго транзистора. В усилителе использована широкополосная цепь связи между каскадами. На частоте 30 МГц усилитель обеспечивал Рвых=10 Вт при Ки>15 и Кр>100.

Рис.3. Двухкаскадный усилитель на мощных МДП-транзисторах

Узкополосный усилитель на рис.4 предназначен для работы в диапазоне частот 144...146 МГц. Он обеспечивает усиление по мощности 12 дБ, уровень шумов 2,4 дБ и уровень интермодуляционных искажений не более 30 дБ.

Рис.4. Узкополосный усилитель мощности для работы в диапазоне 144... 146 МГц

Резонансный усилитель на мощном МДП-транзисторе 2NS235B (рис.5) на частоте 700 МГц обеспечивает получение Рвых=17 Вт при КПД 40...45%.

Рис.5. Резонансный усилитель мощности с рабочей частотой 700 МГц

Усилитель на рис.6 содержит цепь нейтрализации, уменьшающую до уровня -50 дБ уровень обратных наводок. На частоте 50 МГц усилитель имеет увеличение по мощности 18 дБ, уровень шумов 2,4 дБ и выходную мощность до 1 Вт.

Рис.6. Малошумящий нейтрализованный УМ

В запатентованной схеме рис.7 (патент США 3.919563) на частоте 70 МГц достигнут реальный КПД, равный 90% при выходной мощности 5 Вт на частоте 70 МГц. Добротность выходного контура при этом равна 3.

Рис. 7. Ключевой усилитель мощности с КПД, равным 90%.

На рис.8 представлена схема трехкаскадного УМ на отечественных мощных МДП-транзисторах КП905Б, КП907Б и КП909Б.

Рис.8. Трехкаскадный резонансный УМ диапазона 300 МГц (нажмите для увеличения)

Усилитель обеспечивает мощность в нагрузке 30 Вт на частоте 300 МГц. В первых двух каскадах используются резонансные П-образные согласующие цепи, а в выходном каскаде - Г-образная цепь на входе и П-образная на выходе. Зависимости КПД и Рвых от Uc и Рвыхэ и Кр от Рвх, полученные экспериментально и расчетным путем, представлены на рис.9.

Рис.9. Зависимости параметров оконечного каскада трехкаскадного УМ
от напряжения питания (а) и входной мощности (б):
--- эксперимент; - - - расчет

При использовании УМ в АМ-радиопередатчиках (с амплитудной модуляцией) возникают трудности, связанные с обеспечением линейности модуляционной характеристики, т. е. зависимости Рвых от амплитуды входного сигнала. Они усугубляются при использовании резко нелинейных режимов работы, таких как класс С. На рис.10 представлена схема радиопередатчика КВ-диапазона с амплитудной модуляцией. Мощность передатчика 10,8 Вт при использовании мощного УМДП-транзистора VMP4. Модуляция осуществляется изменением напряжения смещения на затворе.

Рис.10. Схема радиопередатчика КВ-диапазона с амплитудной модуляцией

Для уменьшения нелинейности модуляционной характеристики (кривая 1 на рис.11) в передатчике используется обратная связь по огибающей. Для этого выходное АМ-напряжение выпрямляется и полученный низкочастотный сигнал используется для создания ООС. Модуляционная характеристика 2 на рис.10 иллюстрирует существенное улучшение линейности.

Рис.11. Модуляционная характеристика радиопередатчика в отсутствии (1) и при наличии (2) линеаризации

На рис.12 приведена принципиальная схема ключевого УМ с выходной номинальной мощностью 10 Вт и рабочей частотой 2,7 МГц. Усилитель выполнен на транзисторах КП902, КП904. Коэффициент полезного действия усилителя при номинальной выходной мощности 72%, коэффициент усиления мощности около 33 дБ. Усилитель возбуждается от логического элемента К133ЛБ, напряжение питания 27 В, пик-фактор напряжения стока выходного каскада равен 2,9. При соответствующей перестройке цепей связи усилитель с заданными параметрами работал в диапазоне 1,6...8,1 МГц.

Рис.12. Ключевой УМ с выходной номинальной мощностью 10 Вт (нажмите для увеличения)

Для обеспечения заданной мощности на более высоких частотах необходимо увеличивать мощность возбудителя.

Конструктивно оба УМ были собраны на печатных платах с использованием стандартных радиаторов 100x150x20 мм, что объясняется стандартными размерами блока УМ в радиопередатчиках. Катушки индуктивностей в цепях связи - цилиндрические на ферритовых стержнях марки ВЧ-30 диаметром 16. Добротность катушек индуктивностей Q=150.

В качестве блокировочных дросселей в цепях питания стока транзисторов одноваттного усилителя и предварительного каскада 10-ваттного усилителя использовались стандартные дроссели с индуктивностью 600 мкГн. Дроссель питания в цепи стока транзистора КП904 - на ферритовом кольце, его индуктивность 100 МкГн.

На рис.13 приведена принципиальная схема ключевого УМ с номинальной выходной мощностью Рвых=100 Вт, предназначенная для использования в необслуживаемых радиопередатчиках КВ-диапазона. Усилитель содержит каскад предварительного усиления, обратный на двух транзисторах КП907. На входе VT1 включен согласующий П-образный контур С1L1С2C3.

Рис.13. Ключевой УМ с номинальной выходной мощностью 100 Вт (нажмите для увеличения)

Оконечный каскад собран та шести транзисторах КП904А. Такое число транзисторов было выбрано по соображениям повышения КПД. Вместо транзисторов КП904Б можно включить также шесть транзисторов КП909 или три более мощных KП913. Оптимальный ключевой режим цепи стока обеспечивается формирующим контуром, содержащим элементы С14, С15, С16, L7.

Усилитель имеет общий КПД=62%. При этом электронный КПД выходного каскада составляет около 70%. Мостовая схема включения транзисторов предварительного каскада использована для сохранения работоспособности усилителя (хотя и с ухудшенными параметрами) при выходе из строя выходного транзистора. С этой же целью в истоки мощных транзисторов включены индивидуальные плавкие предохранители, назначение которых - отключать неисправный транзистор. Если в результате его пробоя в линейке транзисторов возникает режим, близкий к режиму короткого замыкания, это делает усилитель неработоспособным.

Параллельное включение мощных МДП ПТ не создает дополнительных трудностей при расчете и настройке УМ. Уменьшение КПД усилителя по сравнению с аналогичным по построению усилителем (см. рис.12) связано в основном с использованием транзисторов по мощности в 100-Вт усилителе. При снижении уровня выходной мощности до 50 Вт КПД усилителя возрастает до 85%, а электронный КПД -до 90%. Приведенные на рис.13 значения параметров элементов соответствуют частоте 2,9 МГц.

Пик-фактор напряжения на стоках транзисторов КП904 равен 2,8, а сами транзисторы работают в режиме, близком к оптимальному. Пик-фактор напряжения стока в каскадах на транзисторах КП907 равен П=2,1. Транзистор работает в ключевом режиме, однако оптимальность режима не обеспечивается, поскольку оптимальный ключевой режим для данных транзисторов при Uс=27 В и угле отсечки ф=90° был бы опасен из-за значительного пик-фактора, при котором напряжение на стоке может превысить максимально допустимое напряжение, равное 60 В для транзистора КП907.

На рис.14, а приведены экспериментальные и расчетные кривые, иллюстрирующие зависимости КПД, Рвых и hэ от угла отсечки тока стока. Из рисунка видно хорошее приближение расчетных данных к экспериментальным. Следует отметить что область возможных значений углов отсечки оказывается довольно узкой. Увеличению углов отсечки препятствует быстрый рост пик-фактора напряжения на стоке, а уменьшению - рост необходимого напряжения возбуждения, которое довольно скоро начинает совместно с напряжением смещения Uз превышать Uзи доп. Разумеется, при уменьшении уровня Рвыт диапазон возможных изменений углов отсечки тока стока расширяется.

Рис.14. Зависимости выходной мощности и КПД от угла отсечки 0 (а)
и от температуры окружающей среды (б):
--- эксперимент; - - - расчет

Усилитель выполнен на печатной плате. В качестве теплоотвода использован радиатор размерами 130X130X50 мм. В цепях питания транзисторов КП907 использованы стандартные дроссели ДМ-01 индуктивностью 280 мкГн. Дроссели моста сложения намотаны на ферритовых кольцах ВК-30 диам.=26. Дроссель в цепи питания выходного каскада намотан на ферритовом кольце ВЧ-30 диам.=30. Катушка индуктивности в цепи связи выходного каскада с нагрузкой - воздушная, намотана посеребренной проволокой диам.=2,5, диаметр витка 30 мм, L=80 нГн.

Температурные зависимости выходной мощности РВых и КПД ключевого УМ с выходной мощностью 100 Вт приведены на рис.14,б. Из рассмотрения приведенных зависимостей видно, что в диапазоне -60...+60°С, входная мощность УМ изменяется не более чем на ±10%. Незначительное влияние оказывает температура и на КПД, который в указанном диапазоне изменяется на ±5%. При этом наблюдается падение выходной мощности и КПД с ростом температуры, связанное с уменьшением крутизны 5 с ростом температуры. В обычном диапазоне температур -60 ... +60° С изменение hэ и Рвых незначительно, причем это достигается без каких-либо специальных мер термостабилизации УМ. Последнее также является достоинством мощных МДП-транзисторов.

Литература:

1. Схемотехника устройств на мощных полевых транзисторах. Справочник. Под редакцией В.П.Дьяконова.

Публикация: Н. Большаков, rf.atnn.ru

Смотрите другие статьи раздела ВЧ усилители мощности.

Читайте и пишите полезные комментарии к этой статье.

<< Назад

Последние новости науки и техники, новинки электроники:

Климат влияет на длительность беременности 07.11.2025

Беременность традиционно воспринимается как естественный биологический процесс с предсказуемыми сроками, однако современные исследования все чаще доказывают, что на ее продолжительность влияют факторы, выходящие далеко за пределы медицины. Среди них особое место занимают климат и окружающая среда - именно эту взаимосвязь впервые подробно изучили ученые из Университета Кертина в Австралии. Их работа раскрывает, что экстремальные погодные условия способны не только вызывать преждевременные роды, но и, напротив, удлинять срок беременности. Команда исследователей проанализировала данные почти 400 тысяч новорожденных, появившихся на свет в Западной Австралии. Результаты оказались неожиданными: климатические колебания заметно влияли на организм будущих матерей, особенно у тех, кто рожал после 41-й недели беременности. По словам доктора Сильвестра Додзи Ньядана из Школы народного здоровья Университета Кертина, проблема перенашивания долгое время оставалась в тени, хотя ее последствия могут ...>>

Роботизированное кресло Toyota Walk Me 07.11.2025

Современные технологии все чаще пересекаются с медициной, эргономикой и социальной сферой. Компании стремятся не просто создавать машины, а делать устройства, которые расширяют возможности человека. Именно к этому направлению принадлежит новейшая разработка корпорации Toyota - роботизированное кресло Walk Me, впервые показанное на выставке Japan Mobility Show 2025. Оно демонстрирует, как инженерная мысль и забота о людях с ограниченной подвижностью могут соединяться в одном компактном устройстве. Внешне Walk Me напоминает нечто среднее между креслом и небольшим роботом. В отличие от привычных инвалидных колясок или тележек, новинка лишена колес - вместо них движение обеспечивают четыре механические ноги. Такая система позволяет креслу буквально "идти" по поверхности, адаптируясь к рельефу и уверенно преодолевая гравий, бордюры или даже лестницы. Создатели вдохновлялись природой - в частности, движениями коз и крабов, известных своей устойчивостью и ловкостью на пересеченной местн ...>>

Отцу полезно брать отпуск по уходу за ребенком 06.11.2025

Роль отцов в воспитании детей перестала восприниматься как второстепенная. Современные исследования все чаще доказывают, что участие папы в уходе за младенцем оказывает не только эмоциональное, но и долговременное развитие на психику и успехи ребенка. Новая работа ученых из Национального университета Сингапура добавила весомые аргументы в пользу того, что отцам стоит брать отпуск по уходу за ребенком - хотя бы на две недели. Исследование показало, что дети, чьи отцы проводили с ними больше времени в первые недели жизни, реже сталкиваются с трудностями в поведении и обучении. Такие дети проявляют лучшие результаты в тестах на математические и речевые способности и демонстрируют более устойчивое эмоциональное состояние. Ученые отмечают, что именно продолжительный отпуск дает мужчинам возможность установить прочную эмоциональную связь с ребенком и активнее участвовать в жизни семьи. Профессор Вэй-Джун Джин Ян, соавтор исследования, подчеркивает, что в большинстве азиатских стран дек ...>>

Случайная новость из Архива Времени может не существовать 02.02.2023 Исследователи выяснили, что причинность, а не время, является основной характеристикой нашей вселенной. Эксперт Австралийского католического университета Сэм Барон считает, что физика пребывает в кризисе. На протяжении прошлого века ученые объясняли Вселенную с помощью двух чрезвычайно успешных теорий: общей теории относительности и квантовой механики. По его словам, квантовая механика успешно обосновывает работу в невероятно крошечном мире частиц и их взаимодействия. При этом, общая теория относительности описывает общую картину гравитации и движения объектов. Данные теории во многом противоречат друг другу. Поэтому ученые считают, что их необходимо заменить одной общей. В частности, речь идет о теории "квантовой гравитации", которая должна объяснить, как гравитация работает в самом миниатюрном масштабе. Ученые при этом отмечают, что создать новую теорию квантовой гравитации чрезвычайно сложная задача. Одной из таких попыток была теория струн. Она заменила частицы струнами, вибрирующими в 11 измерениях. Однако теория струн столкнулась с некоторыми сложностями. Теория описывает Вселенную, схожую с нашей, но не предоставляет никаких четких предсказаний, которые можно было бы проверить в ходе экспериментов. Таким образом, выдвинутую теорию невозможно ни подтвердить, ни опровергнуть, добавили ученые. Наиболее известным подходом после этого стала петлевая квантовая гравитация. Она гласит, что ткань пространства и времени состоит из сети очень маленьких дискретных фрагментов, иными словами "петлей". Одной из самых весомых особенностей петлевой квантовой гравитации является упразднение времени. "Петлевая квантовая гравитация не единственная теория, которая исключает время. Ряд других подходов также упраздняет время как фундаментальные аспект реальности. В теориях физики нет никаких столов, стульев и даже людей, и тем не менее мы по-прежнему знаем, что все это существует. Мы отлично знаем, что все перечисленное состоит из фундаментальных частиц, но понятия не имеем, из чего может "состоять" время. Пока мы не сможем дать четкое объяснение того, как возникает время, неясно, можем ли мы утверждать, что оно существует", - подчеркнул учены. По его словам, исходя из этого, время может не существовать ни в одной из имеющихся теорий. Однако теории оставляют нетронутой причинно-следственную связь. То есть, физика говорит, что причинность, а не время, является основной характеристикой нашей вселенной.

Другие интересные новости:

▪ Опасные блестки

▪ Процессор Samsung Exynos ModAP с LTE-модемом

▪ Солнечная остановка

▪ Фотокомпакты Sony Cyber-shot DSC-WX500 и DSC-HX90V

▪ Смартфон Gionee Elife S5.5 толщиной 5,6 мм

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Домашняя мастерская. Подборка статей

▪ статья Габриэль Бонер Шанель (Коко Шанель). Знаменитые афоризмы

▪ статья Почему регулярное потребление алкоголя, даже умеренное, вредно для организма? Подробный ответ

▪ статья Оформление материалов расследования несчастных случаев на производстве и их учет

▪ статья Правильное макетное шасси от Клаусмобиля. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Угадывание числа карт, снятых с колоды. Секрет фокуса

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2025