Например: IC-9100, Baofeng,...

Расчет транзисторного высокочастного усилителя мощности.

Александр Сергеев

Усилитель мощности является одним из наиболее сложных в изготовлении узлов радиостанции. Рассчитать и построить его значительно труднее, чем усилитель низкой частоты или маломощный усилитель высокой частоты. Связано это с тем, что транзисторы, по сравнению с электронными лампами, обладают значительно худшими частотными свойствами.

Кроме того, транзисторы намного чувствительнее к электрическим перегрузкам (даже кратковременным). Поэтому радиолюбители часто строили гибридные радиостанции, в которых все каскады были выполнены на транзисторах (или микросхемах), а выходной каскад передатчика — на лампе. Но транзисторы по сравнению с электронными лампами имеют несколько весьма существенных преимуществ (небольшие размеры, низкое напряжение питания, устойчивость к ударам и вибрации и т.д.), поэтому полностью транзисторная радиостанция имеет значительно лучшие эксплуатационные характеристики.

В настоящее время в продаже имеется большое количество мощных высокочастотных полевых и биполярных транзисторов. Каждый из этих типов транзисторов имеет свои достоинства и недостатки, которые необходимо учитывать при изготовлении радиоетанции. Так, полевые транзисторы имеют достаточно хорошие частотные свойства. Сопротивление канала практически мгновенно изменяется при изменении управляющего напряжения, поэтому частотные свойства транзистора определяются в основном межэлектродными и паразитными емкостями транзистора и индуктивностями выводов.

Рассчитывать каскад на полевом транзисторе можно по методике, которая традиционно применяется для расчета усилителей на электронных лампах (так называемый временной метод). Необходимые для расчета проходные характеристики транзистора (зависимость тока стока от напряжения затвор-исток) приводятся в справочниках. Для повышения точности расчетов для конкретного экземпляра транзистора можно снять эти характеристики экспериментально (в режиме постоянного тока). При этом характеристики изготовленного усилителя (выходная мощность, коэффициент полезного действия), как правило, хорошо согласуются с результатами расчетов.

Но применять полевые транзисторы в передатчиках не всегда целесообразно. Во-первых, полевой транзистор имеет сравнительно большое сопротивление канала в открытом состоянии, что приводит к уменьшению коэффициента полезного действия (КПД) даже на сравнительно низких частотах. Для увеличения КПД нужно увеличивать напряжение питания усилителя, а для этого требуется или увеличивать напряжение питания всей радиостанции, или использовать для питания усилителя мощности дополнительный повышающий преобразователь напряжения.

Во-вторых, большинство из доступных мощных высокочастотных полевых транзисторов имеют сравнительно небольшую крутизну при значительной входной емкости (сотни пикофарад). Поэтому для получения высокого КПД необходимо увеличивать амплитуду управляющего напряжения на затворе транзистора. А это приводит к тому, что для согласования выходного каскада с драйвером приходится применять колебательные контуры, что затрудняет настройку передатчика и его перестройку по частоте.

В последнее время стали появляться высокочастотные полевые транзисторы с большей крутизной, но они пока малодоступны. Поэтому для усилителей мощности часто применяют биполярные транзисторы, которые имеют меньшее сопротивление в открытом состоянии, что способствует повышению КПД при низком напряжении питания, а также низкое входное сопротивление, что позволяет уменьшить управляющее напряжение на базе транзистора и использовать для связи выходного передатчика с драйвером апериодические цепи.

Расчет усилителя мощности на транзисторах.

Схема примера расчёта усилителя.

Но работа биполярных транзисторов связана с процессами диффузии, поэтому они имеют значительно худшие частотные свойства, чем полевые транзисторы. Кроме того, биполярные транзисторы имеют большой разброс параметров, и эти параметры сильно зависят от температуры, напряжения питания и от тока коллектора. Все это значительно затрудняет расчет режима работы усилителя. В то же время, такие расчеты выполнять необходимо, т.к. биполярные транзисторы чувствительны даже к кратковременным перегрузкам, и экспериментальный подбор режима работы усилителя мощности чреват значительными экономическими издержками.

Обычно для расчета режима работы каскада на биполярном транзисторе применяется временной метод, основанный на использовании проходной характеристики транзистора, т.е. зависимости тока коллектора от напряжения база-эмиттер. Но эта характеристика строится в режиме постоянного тока, поэтому ее можно применять только для расчета устройств, работающих на низких частотах.

Повысить точность расчета можно применяя методику, основанную на спектральном анализе. Ниже приводится упрощенный способ расчетов основных параметров усилителя. Расчеты упрощены за счет того, что реальная входная характеристика транзистора заменена кусочно-линейной аппроксимацией этой характеристики. Такое упрощение допустимо, т.к. параметры транзистора зависят от температуры, напряжения и тока, а потому выполнять слишком точные расчеты не имеет смысла.

Расчет транзисторного усилителя мощности.

Кусочно-линейная аппроксимация и временная диаграмма.

Сущность этого метода заключается в том, что транзистор представляется в виде трансформатора тока, коэффициент передачи которого определенным образом зависит от частоты. Зная, какое напряжение подается на вход усилителя, а также располагая входными характеристиками транзистора (зависимостью тока базы от напряжения база-эмиттер для схемы транзистора с общим эмиттером), можно по аппроксимации входных характеристик и по входному напряжению определить спектральные составляющие входного тока транзистора (тока базы для схемы с общим эмиттером).

Затем, зная зависимость коэффициента передачи тока от частоты, можно определить амплитуды соответствующих спектральных составляющих коллекторного тока. Далее, зная сопротивление нагрузки усилителя для различных спектральных составляющих коллекторного тока, можно определить напряжение на выходе усилителя мощности. На этом расчет заканчивается, т.к. на этом этапе основные параметры усилителя уже известны. Практически при расчете усилителя нам необходимо определить только постоянную составляющую и амплитуду первой гармоники тока коллектора.

Расчет транзисторного усилителя мощности.

Зависимость модуля коэффициента передачи тока базы от частоты.

В качестве примера рассчитаем режим работы усилителя, схема которого приведена на рис.1. На рис.2 показаны кусочно-линейная аппроксимация входной характеристики транзистора (зависимость тока базы от напряжения база-эмиттер), временная диаграмма переменного напряжения на входе усилителя и временная диаграмма тока базы. На рис.З приведена зависимость модуля коэффициента передачи тока базы от частоты (в логарифмическом масштабе по оси частот).

Расчет выполняется в следующем порядке:

  1. По входной характеристике определяем угол отсечки тока базы [1, стр. 505, формула 10-63]:
  2. \[\cos \theta = - \left( {\frac{{V0 - Vnop}}{{V\max }}} \right)\]

    где θ — угол отсечки тока базы;
    V0 — постоянная составляющая напряжения на базе транзистора;
    Vnop — пороговое напряжение аппроксимированной входной характеристики (раствор характеристики в [1]), для кремниевых транзисторов можно принять Vnop = 0,7 В;
    Vmax — амплитуда переменного напряжения на входе усилителя.

  3. По графику [1, стр.508, рис. 10-26] определяем коэффициенты Берга для спектральных составляющих тока базы.
  4. Зная амплитуду импульсов тока базы Ibmax и коэффициенты Берга α0 и α1, определяем постоянную составляющую тока базы Ib0 и амплитуду первой гармоники тока базы Ib1.
  5. \[Ib0 = \alpha 0 \cdot Ib\max \] \[Ib1 = \alpha 1 \cdot Ib\max \]
  6. Зная постоянную составляющую тока базы Ib0 и амплитуду первой гармоники тока базы Ib1, по рис.З определяем постоянную составляющую тока коллектора IK0 и амплитуду первой гармоники тока коллектора IK1:
  7. \[Ik0 = Ib0 \cdot K0\] \[Ik1 = Ib1 \cdot KF1\]
  8. Зная амплитуду первой гармоники тока коллектора IK1 и эквивалентное сопротивление колебательного контура L1-C2 (рис.1), определяем переменное напряжение на выходе усилителя.

Приведенная выше методика расчета достаточно проста, но ее можно еще больше упростить. Это связано с тем, что при расчете усилителя мощности в основном нас интересует соотношение постоянной составляющей и амплитуды первой гармоники тока коллектора. При этом постоянную составляющую тока коллектора можно всегда измерить при помощи амперметра. Поэтому упрощенный расчет можно выполнить в следующем порядке:

1. По формуле (1) определяем угол отсечки тока базы и коэффициенты Берга α0 и α1. 2. Затем, используя рис.З, по приведенной ниже формуле определяем соотношение коэффициентов Берга для постоянной составляющей тока коллектора α0kol и для амплитуды первой гармоники тока коллектора α1kol \[\frac{{\alpha 1kol}}{{\alpha 0kol}} = \frac{{\alpha 1}}{{\alpha 2}} \cdot \frac{{KF1}}{{K0}}\] 3. Измерив постоянную составляющую тока коллектора IK0, определяем амплитуду первой гармоники тока коллектора IK1: \[IK1 = IK0 \cdot \frac{{\alpha 1kol}}{{\alpha 0kol}}\] 4. Затем определяем амплитуду напряжения на выходе усилителя. Амплитуду переменного напряжения на входе усилителя Vmax можно достаточно точно измерить пиковым вольтметром, а постоянную составляющую напряжения на базе транзистора V0—при помощи вольтметра с высоким входным сопротивлением. Подключать этот вольтметр к базе транзистора нужно через высокоомный резистор.

Нужно учесть влияние этого резистора на показания вольтметра. Удобно взять резистор, сопротивление которого равно входному сопротивлению вольтметра, тогда показания вольтметра нужно будет увеличивать в 2 раза. Если входной щуп вольтметра подключить непосредственно к базе транзистора, то паразитная емкость провода сильно изменит режим работы усилителя.

Из изложенного выше следует, что КПД усилителя мощности сильно зависит от соотношения F1 и FE (рис.З). Форма графика идентична амплитудно-частотной характеристике RC-фильтра нижних частот. Характерными точками графика являются FE — предельная частота коэффициента передачи в схеме с общим эмиттером, FE — предельная частота транзистора, К0 — статический коэффициент передачи тока базы на постоянном токе. При этом имеет место соотношение:

\[FE = \frac{{FT}}{{K0}}\]

Следовательно, для повышения КПД усилителя можно использовать два способа:

  • увеличивать FE, а для этого нужно выбирать транзисторы с максимальным значением FT И минимальным значением K0. Эти параметры транзисторов приводятся во всех справочниках;
  • уменьшать угол отсечки тока базы транзистора. Для этого нужно увеличивать амплитуду напряжения на входе усилителя Vmax и сопротивление резистора R1.

При этом нужно учитывать, что высокочастотные транзисторы имеют небольшое значение предельно допустимого обратного напряжения на эмиттерном переходе (обычно не более 5 — 7 В). Для того чтобы не допустить пробоя эмиттерного перехода транзистора, можно между базой и конденсатором С1 включить высокочастотный диод с малой емкостью и малым током утечки. При этом может несколько уменьшиться коэффициент усиления усилителя, но КПД усилителя является более важным параметром.

Если по приведенной выше методике рассчитать несколько опубликованных в радиолюбительской литературе схем усилителей, то получается, что многие из них должны работать с довольно низким КПД. Кроме того, в ряде случаев рекомендуется соединять выводы базы и эмиттера при помощи дросселя, который будет жестко ограничивать уменьшение угла отсечки тока базы. В результате, в таких схемах цепь базы будет работать с режиме С с углом отсечки 70—80°, а коллекторная цепь — в режиме АВ или в режиме А.

В методике расчета усилителя, приведенной в [2 , стр. 134—138], максимальное значение статического коэффициента передачи тока базы Ко вообще не упоминается. В то же время, разброс значений Ко у транзисторов одного типа обычно составляет от 3 до 5, а иногда и больше. Необходимо иметь в виду, что фактическое значение максимальной частоты транзистора Fj может быть значительно меньше приведенного в справочнике значения. Отбракованные по этому параметру транзисторы попадают в розничную продажу.

На сравнительно невысоких радиочастотах (до 10 МГц) для усилителей мощности можно использовать полевые MOSFET-транзисторы, которые сочетают такие достоинства полевых и биполярных транзисторов как высокое входное сопротивление и большая крутизна характеристики. КПД усилителя на MOSFET-транзисторе изменяется от 0,3 на частоте 10 МГц до 0,9 на частотах менее 5 МГц (данные для мощных транзисторов IRFZ44N).

Возможно, другие типы MOSFET-транзисторов могут работать на более высоких частотах. Быстродействие таких транзисторов можно оценить по времени переключения, значение которого приводится в справочниках. MOSFET-транзисторы имеют типичные для электронных ключей характеристики, поэтому при увеличении напряжения на затворе до 3—4 В они быстро переходят из закрытого состояния в открытое, при этом крутизна характеристики доходит до 20 A/В, а сопротивление открытого канала составляет около 0,03 Ом. Следовательно, усилитель будет работать в режиме D с максимальным КПД.

Усилитель, схема которого приведена на рис.1, и усилители на MOSFET-транзисторах предназначены для усиления сигналов с телеграфной или угловой модуляцией. Для линейного усиления сигналов при достаточно высоком КПД необходимо, чтобы транзистор работал на границе режима В и режима АВ и не выходил за пределы активного режима.

Эти условия можно создать, если применить в каскаде отрицательную обратную связь по току, которую создает резистор, включенный в цепь эмиттера или истока. Считается, что это ведет к самовозбуждению усилителя. Но самовозбуждение происходит, в основном, не из-за резистора, а из-за его паразитной индуктивности.

Поэтому если рабочая частота не очень велика, а резистор в цепи эмиттера имеет малую индуктивность, то усилитель будет иметь достаточный запас устойчивости. Резистор сопротивлением до 3 Ом и с малой индуктивностью можно изготовить из скрученного в витую пару отрезка высокоомного провода. На одном конце витой пары провода нужно замкнуть накоротко, а другие концы проводов использовать для подключения к схеме.

Литература

  1. Н.В.Зернов, В.Г.Карпов. Теория радиотехнических цепей. - М.: Энергия, 1965.
  2. С.Г.Бунин, Л.П.Яйленко. Справочник радиолюбителя-коротковолновика. - Киев: Техника, 1984.
aviso | рекламный сервис

Технические характеристики на более чем 3800 устройств.



Например:
E.F. Johnson, Hallicrafters,...