Высокочестотный генератор с внешним возбуждением

Содержание

Введение…………………………………………………………………………..3

1. Основные характеристики и параметры усилителей…………………..7
2. Теория и основные математические соотношения……………………..8
1. Электрическая и эквивалентная схема генераторов…………..……8
2. Динамические характеристики генератора………………………..12
3. Режим работы высокочастотного генератора…………………..……18
1. Ключевой режим работы высокочастотного генератора…………19
4. Выбор и обоснование принципиальной схемы генератора с внешним возбуждением……………………………………………………………22
5. Структурная схема генератора с внешним возбуждением……..……24
6. Схемы усилителей мощности……………………………………………26

Заключение………………………………………………………………………29

Список  использованной литературы…………………………………………30 
 
 
 
 
 
 
 

Введение

     Генератором с внешним возбуждением называется радиоэлектронное устройство, предназначенное для преобразования энергии постоянного тока в энергию электромагнитных колебаний высокой частоты, равной или кратной частоте входного воздействия. В том случае, когда частота выходного сигнала равна частоте входного воздействия, генератор с внешним возбуждением называется усилителем мощности. Если же частота выходного сигнала в целое число раз больше частоты входного – речь идет об умножителе частоты.

     Основное  требование, предъявляемое к генератору с внешним возбуждением (ГВВ), –  получение высокого коэффициента полезного  действия (КПД) при обеспечении заданной мощности в нагрузке. Это накладывает  определенные ограничения на выбор  режима работы генераторного прибора (ГП) и параметров согласующей цепи.

Благодаря присутствию высших гармоник в токе ГП при его работе в нелинейном режиме ГВВ можно использовать в  качестве умножителя частоты (УЧ). УЧ предназначены  для преобразования колебаний с  частотой в колебания кратной частоты n , где n – любое целое положительное число. Применение УЧ позволяет повысить стабильность частоты задающих генераторов, расширить диапазон рабочих частот или получить множество стабильных частот в синтезаторах частоты, увеличить индекс частотной (фазовой) модуляции, повысить устойчивость работы радиопередатчика. Согласующая цепь обеспечивает трансформацию в общем случае комплексного сопротивления нагрузки в чисто резистивное сопротивление в заданном диапазоне частот, причем имеющее такое значение, при котором обеспечиваются высокие энергетические показатели ГВВ.

ГВВ могут  выполнять разнообразные функции:

• Усиливать радиочастотные колебания
• Повышать их частоту в целое число раз
• Изменять амплитуду радиочастотного колебания по закону НЧ сообщения (амплитудные модуляторы)

Используемые  в передатчиках ГВВ возбуждаются, как правило, гармоническим током  или напряжением и должны создать  на нагрузке также гармоническое  напряжение.

Генератор с внешним возбуждением (ГВВ) относится  к  классу усилителей высокой частоты (ВЧ). В отличие от малосигнальных усилителей ВЧ, ГВВ имеет дело с большими уровнями сигналов, действующих на его входе и выходе, и работает как в линейном, так и в нелинейном режимах. В этой связи ГВВ принято характеризовать рядом энергетических показателей. К ним относятся выходная колебательная мощность Р_~, мощность, потребляемая от источника питания Р₀, мощность рассеяния по выходному электроду Р_рас, коэффициент полезного действия (КПД) по выходному электроду h₀, коэффициент усиления по мощности К_р и ряд других. Качество генератора во многом зависит от уровня достигнутого КПД и К_р при заданном уровне выходной мощности. Поэтому ГВВ можно рассматривать как устройство, осуществляющее преобразование энергии источника питания в ВЧ энергию с достаточно высоким КПД и управляемое внешним высокочастотным сигналом. Этим объясняется  название – генератор.

В настоящее  время разработано много инженерных методик расчета ГВВ на заданную колебательную мощность. Каждой из них присущ свой подход к расчету, но ни одна не претендует на абсолютную точность.

Целью данных указаний являются ознакомление студентов с инженерными подходами  к разработке ГВВ и изучение одной  из методик расчета. В процессе выполнения заданий студентам предлагается ответить на пять вопросов, затрагивающих  основные подходы к проектированию ГВВ, получить допуск к расчету и  далее рассчитать свой вариант ГВВ  с контролем некоторых промежуточных  данных.

В качестве базовой методики в заданиях используется методика расчета ГВВ, изложенная в и приведенная в методических указаниях. Для лучшего усвоения материала расчет осуществляется студентами самостоятельно без применения ЭВМ.

В диапазонах ДВ, СВ, КВ, УКВ, СВЧ широкое применение при создании ГВВ находят различные типы транзисторов и ламп. Верхняя частотная граница их применения достигает в настоящее время величины порядка 15 ГГц и имеет тенденцию к дальнейшему расширению. ГВВ, выполненные на лампах или транзисторах, имеют много общих признаков, так как решают задачу получения требуемой мощности ВЧ колебаний в нагрузке.

Вместе  с тем  ламповые и транзисторные ГВВ обладают рядом существенных отличий, о которых необходимо помнить при разработке. Причина этого кроется в различии физических процессов, протекающих в указанных типах активных элементов (АЭ). Такой АЭ, как лампа (триод, тетрод, пентод), имеет высокий уровень анодного питания, относительно малую величину крутизны проходных характеристик, большие уровни внутреннего и входного сопротивлений. Для получения от лампы ее номинальной мощности требуется высокоомная анодная нагрузка. В отличие от транзисторов проходные характеристики у ламп левые. Если максимальное напряжение на сетке остается меньшим или равным нулю:

е_{с макс} = Е_см + U_{m вх} < 0, (1.1)

то ток  управляющего электрода будет представлен  только током через емкость сетка-катод (С_ск), а активная составляющая входного сопротивления лампы, соответственно, равна бесконечности. При превышении е_{с макс} нуля появляется конечная величина активной составляющей входного сопротивления, но она остается достаточно высокой. По этой причине возбуждение лампового ГВВ проще реализовать от источника напряжения, что и выполняется на практике.

Транзисторы, в отличие от ламп, являются токовыми приборами. Они имеют большую  величину крутизны входной и проходной  характеристик, низковольтное напряжение источника коллекторного питания  и требуют низкоомную коллекторную нагрузку для отбора номинальной мощности. Проходная характеристика биполярных транзисторов – правая. Так как в области средних и высоких частот коэффициент усиления по току транзистора существенно ниже, чем в области низких частот, и базовый ток сравним по величине с коллекторным током, входное сопротивление транзистора в схеме с общим эмиттером получается низкоомным и его возбуждение удобнее реализовать от источника тока. 
 
 
 
 
 
 
 

     1 Основные характеристики и параметры усилителей

Основные  характеристики и параметры усилителей :

Чтобы правильно собрать и использовать усилитель, рассматривают 

следующие три категории исходных данных:

• условия питания:
• природа и величина источников питания;
• токи, потребляемые усилителем;
• основные параметры:
• тип и величина коэффициента усиления;
• частотные характеристики (частота среза, произведение коэффициента усиления на полосу, произведение частоты на мощность);
• входной и выходной импеданс;
• погрешности и возможные ухудшения характеристик:
• требуемый уровень точности коэффициента усиления;
• линейность характеристики;
• внутренние шумы;
• предельные величины напряжений и токов

 
 
 
 
 
 
 
 
 

2 Теория и основные математические соотношения

2.1. Электрическая и эквивалентная схема генераторов

Известно  большое число разнообразных  схем полупроводниковых и ламповых ВЧ генераторов с внешним возбуждением, две из них – с биполярным мощным транзистором и электровакуумной лампой – тетродом – приведены на рис. 2.

Рисунок 2.

В первой из схем в качестве выходной электрической  цепи используется фильтр нижних частот, во второй – параллельный колебательный  контур. Ввиду низкого напряжения питания (обычно не выше 26 В) нагрузка транзистора является сравнительно низкоомной, что позволяет при необходимости иметь широкую полосу пропускания генератора. Ламповый генератор, напротив, работает при сравнительно высокоомной нагрузке. При равной  колебательной мощности нагрузки лампового и транзисторного генератора отличаются, примерно, на два порядка.

 Обобщенная схема для всех типов генераторов состоит из трех каскадно включенных четырехполюсников: входной и выходной согласующих электрических цепей и электронного прибора – транзистора или лампы (рис 3. а).

Назначение  электрических цепей состоит  в согласовании входного и выходного  сопротивления электронного прибора  соответственно с источником возбуждения  и нагрузкой и в фильтрации высших гармоник сигнала. В свою очередь, электронный прибор может быть представлен  в виде генератора тока I_г и трех комплексных проводимостей:

• Внутренней проводимости генератора - Y_i
• Входной проводимости - Y_вх
• Проводимость связи - Y_св

Все названные  элементы являются нелинейными и  частотно-зависимыми. 

Рисунок 3.

Определение форм тока и напряжения на выходе электронного прибора. ВЧ генератор относится  к классу существенно нелинейных устройств со сложными диаграммами тока и напряжения на выходе электронного прибора. Два примера таких диаграмм приведены на рис. 4.

Рисунок 4.

Определение этих форм тока и напряжения проводится или экспериментальным путем, или  по специализированным программам, учитывающим  индивидуальные особенности каждого  типа электронного прибора, или приближенным аналитическим методом. Общий подход к решению данной задачи состоит в следующем. Составляется система из двух уравнений вида:

(1)

(1.1.)

Здесь есть функция, описывающая вольтамперные  характеристики электронного прибора  и учитывающая его нелинейные и инерционные свойства. В зависимости от способа управления электронным прибором по входу – напряжением или током – выбирается первая или вторая запись. Уравнение описывает процесс, протекающий в выходной цепи генератора, причем П есть линейный оператор, характеризующий эту цепь.

Уравнения могут быть развернуты в систему  нелинейных дифференциальных уравнений, решение которых позволяет определить функции тока i(t) и напряжения u(t) на выходе электронного прибора. Другой путь решения задачи состоит в применении метода гармонической линеаризации для решения нелинейной задачи. При анализе лампового генератора в рамках данного метода используется обычно кусочно-линейная аппроксимация вольтамперных характеристик электровакуумного прибора. Анализ транзисторного генератора на основе зарядовой модели полупроводникового прибора.

Для определения  энергетических параметров генератора периодических функции i(t) и u(t) разлагаются в ряд Фурье. При сложном виде этих функций, например, подобным на рис. 4. можно воспользоваться программой, приведенной на рисунке.

Баланс  мощностей в выходной цепи генератора. Выходная колебательная мощность и  КПД являются важнейшими параметрами  генератора – усилителя мощности высокочастотного сигнала. По величине КПД можно судить, в частности, насколько совершенен тот или  иной генератор. В этой связи следует  составить уравнение баланса  мощностей генератора и определить, как расходуется мощность, потребляемая генератором от источника питания.

Итак, пусть  определены периодические функции  i(t) и u(t), которые затем разложены в ряд Фурье. При наличии двух функций, разложенных по одним и тем же гармоническим составляющим, справедливо следующее уравнение, называемое формулой замкнутости для рядов Фурье:

(2)

Это есть уравнение баланса мощностей  в выходной цепи генератора, которое  представим в виде:

(3)

Где:

   - мощность, потребляемая генератором от источника постоянного тока, или коротко мощность потребления;

  - мощность, рассеиваемая в виде тепла в электронном приборе (на коллекторе транзистора или аноде лампы);