1 Генераторы с внешним возбуждением

Устройства, предназначенные для генерирования, усиления и управления высокочастотными колебаниями в телекоммуникациях принято также называть "Радиопередающие устройства" или кратко "Передатчики" [1-3]. В передатчиках генераторы с внешним возбуждением (ГВВ) выполняют разнообразные функции (усиление мощности, умножение частоты, модуляция и др.). В случае выполнения функции усиления мощности генератор с внешним возбуждением называется также усилителем мощности (УМ) .

Структурная схема усилителя мощности (рис.1.1) в общем случае содержит активный элемент (АЭ), входную (ЦС_вх) и выходную (ЦС_вых) цепи согласования, а также цепи блокировки по на­пряжению питания (ЦБП) и по напряжению смещения (ЦБС), источник питания (ИП), источник смещения (ИС), нагрузку (Н).

Рисунок 1.1 – Структурная схема усилителя мощности

Входная цепь согласования трансформирует входное сопротивление АЭ в оптимальное сопротивление нагрузки для источника возбуж­дения, а выходная цепь трансформирует сопротивление нагрузки (Н) в требуемое для данного транзистора сопротивление с целью обеспечения оптимального режима работы. В современных передатчиках, как правило, применяется унифицированная блочная конструкция. В этой связи усилитель мощности с цепями согласования должен иметь стандартные (50 Ом) активные входное и выходное сопротивления.

Цепи блокировки предотвращают короткое замыкание по высокой частоте выхода и входа АЭ через источники напряжений питания и смещения. Кроме того, они ослабляют паразитные связи между каскадами по общим цепям питания и смещения.

Требования к усилителю по выходной мощности, коэффициенту усиления и коэффициенту полезного действия (КПД) выполняются в первую очередь выбором типа АЭ и его режима. Однако реализация режима, обеспечивающего необходимые , мощность, КПД, возможна лишь при правильном выборе типа и параметров цепей согласования.

Разработка ГВВ применительно к той или другой реализуемой им функции обычно сводится к решению следующих задач:

1. Рассматриваются режимы работы транзисторов в ГВВ, определяются характеристики этих режимов и их связь с энергетическими показателями ГВВ.

2. Анализируются особенности управления режимами ГВВ, а также условия обеспечения требуемых показателей качества работы.

3. Осуществляется синтез оптимальной по заданным критериям качества принципиальной схемы ГВВ.

4. Разрабатывается конструкция, изготавливаются опытные образцы ГВВ, проводятся испытания.

Однако общего аналитического метода, который бы позволил выполнить анализ работы транзисторов в различных режимах и синтез оптимальных схемных и технологических решений без упрощений и приближений, в настоящее время не существует. Главной причиной такого положения являются инерционность процессов в транзисторах и нелинейность их характеристик. Инерционность процессов в транзисторах приводит, прежде всего, к понижению выходной мощности и КПД.

Большинство методов анализа ГВВ основано на допущении, что транзистор безынерционный элемент. При анализе учитываются лишь его нелинейные характеристики. Учет инерционности процессов при этом сводится к учету частотной зависимости параметров транзистора. Методы анализа и расчета ГВВ, учитывающие нелинейные свойства транзисторов, различаются в основном лишь способом аппроксимации характеристик. Наглядным и эффективным является графоаналитический метод, в котором используются непосредственно статические характеристики транзисторов. В последующих разделах детально будет рассмотрен метод анализа ГВВ, основанный на аппроксимации статических характеристик отрезками прямых параллельных линий с постоянными значениями крутизны. Имеются также аналитические методы, в которых аппроксимация осуществляется степенными рядами, математическими функциями (например, логарифмами или арктангенсами и др.).

Как отмечалось во введении, при усилении высокочастотных колебаний с постоянной амплитудой допускается использование в передатчиках нелинейных усилителей мощности, позволяющих получить высокий коэффициент полезного действия. Высокие энергетические показатели достигаются в нелинейном режиме большого сигнала, при котором транзистор может находиться попеременно в различных состояниях: усиления, отсечки выходного тока и насыщении [1, 2].